某半导体厂房能耗分析

某半导体厂房能耗分析

王炳林

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摘要：集成电路厂房是高能耗产业，其电费支出通常是非常高的。晶圆制造过程中涉及多个复杂的步骤和设备，这些都需要大量的电力支持。此外，晶圆厂还需要维持厂房的洁净环境，只要厂房运转，无论产量多少，都必须维持厂房的运转，这也会增加电费支出。

关键词：集成电路厂房；高能耗；电力支持

1 项目背景

集成电路(Integrated Circuit，IC)是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互连“集成”在半导体(如硅或砷化镓等化合物)晶片上，封装在一个外壳内，执行特定功能的电路或系统。集成电路自发明以来，经过20世纪60年代和70年代的发展，逐步形成了集成电路产业。集成电路应用从最初的军事领域，逐步扩大到工业、农业、交通、政务、安全、办公、通信、教育、传媒、娱乐等各个领域。

碳化硅（SiC）是宽禁带（Wide Band Gap）半导体材料的典型代表，具有高禁带宽度、高硬度与耐磨性、高热导率、高击穿场强、功率密度大、耐高温、低热膨胀系数、电子饱和速率高及抗辐射能力高等优良特性，是制作高温、高频和大功率电力电子器件的理想半导体材料。本项目为南方某地区6英寸碳化硅功率芯片制造项目，典型工艺流程如下：

硅片→清洗→匀胶、烘干→光刻→显影、烘干→湿法刻蚀→化学气相沉积→研磨→金属化→干法刻蚀→清洗→成品。

2电子厂房的配电特点

（1）容量巨大：电子厂房的供电一般来自两个不同的市电变电站，中大型电子厂房配电多采用110kV/220kV。

（2）中低压配电覆盖广：工厂配电分三级，第一级总降压站主变中压侧母线；第二级CUB中压配电，本级与应急电源切换；第三级车间变电站。

（3）供电连续性要求极高：全年365天工作，不考虑停电检修时间 , 中低压模式为两进线一母联，负载率一般不高于50 % ，整个厂房的需要系数为0. 45 ~ 0. 5。

（4）负载类型复杂：主要工艺设备进口，所以低压电压等级多样，一般为208V/380V/440V(480V)/6kV/10kV。

（5）设计方案丰富：工艺设备需要采用保护，主要作用是调整电压质量，防止电压陡降造成宕机;除末端线路外，各级供电线路不应出现单一回路情况，以避免线路故障停产。

（6）可靠性与经济性兼顾：供配电系统中要考虑设备的备用和供电线路的备用，合理控制设备备用和供电线路备用的程度，力求达到可靠性和经济型的平衡。

3 建筑概况

主要建筑物包括：生产厂房、综合动力站、甲类仓库、门卫、宿舍等。

生产厂房内主要布置生产线的工艺设备以及测试、实验等设备仪器，同时还布置新风机房、排风系统、供配电系统、超纯水系统以及化学品和特种气体系统等。建筑平面和空间布局应根据生产工艺要求确定。设计建筑面积约为44000m²;层数为3层，局部为5层。动力厂房主要布置冷却塔系统、冷/热水机组、超纯水制备系统和废水处理系统等。办公楼主要布置为生产线配套的研发、生产管理、行政、人事、环境安全等部门。

原材料仓库主要储存生产过程中所使用乙类或丙类材料等。

4 用电统计

本项目工艺装机容量9500kW，其中380V大约4600kW，208V大约4900kW，生产厂房（FAB）厂务用电装机容量4500kW，动力站（CUB）厂务用电5000kW。

5 供电电源、电压

供电电压：10kV

市政电源：上级市政不同的变电站引两回路10kV电源。采用单母线分段接线方式。分别取自市政2路不同的10kV电源。10kV电源引至动力站变电所后分配为多个回路，以放射式电缆线路向生产厂房分变电所供电。

柴发电源：2号建筑动力站3层设置设10kV柴油发电机组，以放射式电缆线路向各变电所供电。

UPS电源：生产厂房设置UPS电源为厂房提供不间断电源，备电时间15min.

6 配变电所

本工程主要电气站房设置如下：

7 供配电系统

10kV配电系统：采用单母线分段接线方式。

低压220/380V、208V配电系统：相同电压等级、容量的每两台变压器构成一组，中间设母联断路器，两台变压器互为备用。低压配电系统采用三相四线制、TN-S系统。

应急自启动柴油发电机系统：采用10kV电压等级，设备启动后以放射式电缆线路向CUB、FAB的变电所提供10kV应急电源，该母线段市电和应急电通过中压ATS切换。

不间断电源（UPS）系统：采用0.4kV电压等级，单机运行。由UPS直接向用电负荷供电；UPS设置静态旁路及维修旁路。低压配电系统采用三相四线制、TN-S系统。

8 运行方式及联锁关系

本项目市政供电采用两回进线同时工作，互为备用。普通电源10kV系统运行方式及联锁关系：正常情况下10kV两路电源同时工作，每路电源可提供100%的供电能力。两路进线不设母联。

低压220/380V、208V配电系统运行方式及联锁关系：相同电压等级、相同容量的每两台变压器为一组互为部分备用。正常运行时，同组的两台变压器同时工作，每台变压器单独向一段低压母线供电，母联开关断开运行。

    当其中一台变压器故障或检修时，若两段母线用电负荷未超过一台变压器供电能力，手动断开故障或检修侧低压进线开关，闭合母联开关，该台变压器负载由另一台变压器供电。若两段母线用电负荷超过一台变压器供电能力，值班人员手动切除非重要负荷后，确定变压器不过载后，按上述顺序操作母联断路器。低压双路进线与母联开关只能手动操作，不设自投自复功能。同组的两个进线开关和母联开关间设电气连锁，三台开关只能有两台开关处于合闸状态。

柴油发电机单机孤岛运行，不与市电并网。柴油发电机向CUB、FAB配变电所内10kV应急母线供电：(1) 柴油发电机设置手动和自动运行模式。在自动状态时，检测到市电停电后，延时5S启动柴油发电机，柴油发电机自启动时间不大于10S。ATS检测到柴发电源，供电稳定后自动切换至柴油发电机电源供电。

    (2) 市电恢复后，人工确认后手动停机。

    (3) 柴油发电机自启、停信号由CUB、FAB配变电所内双电源应急切换ATS提供信号，任何一路电源失压（非故障跳闸）给发电机提供自启动信号。

    (4) 上述所有延时时限均应在0~60S现场可调，延时时限以供电公司实际送电的给定时限为准。如与市电电源保护动作时限不冲突，可按本方案设定。

不间断电源（UPS）系统运行方式及联锁关系：正常情况下，由主回路电源供电，UPS单独向一段低压母线供电。当主回路电源失电，自动转到静态旁路供电。当主回路与旁路电源均失电，自动转到电池供电模式。在UPS检修维护时，由维修旁路供电。

9能耗分析

半导体厂房因其生产过程的高度精密性及对环境的严格要求，通常具有较高的能耗特点，其主要是因为以下几点：

1）特殊环境需求：集成电路生产需要在高度洁净的环境中进行，以避免杂质对芯片的污染。因此，维持洁净室的空气过滤、温湿度控制和正压环境需要大量能源，尤其是空调系统和空气净化系统的运行，这些都是能耗的主要来源。

2）生产设备能耗：特别是先进的半导体制造设备，如光刻机，其能源转换效率低，据之前的信息显示，ASML的EUV光刻机能源转换效率仅为约0.02%，且每次极紫外光的反射都会造成能量损失。这类高端设备的运行能耗极高，每日可能消耗数万度电。

3）工艺步骤能耗：集成电路制造涉及多个复杂工艺步骤，包括但不限于单晶硅的提纯、晶圆加工、光刻、蚀刻、沉积、封装等，每一步骤都可能消耗大量能源。

4）动力系统与辅助设施：除了直接生产相关的设备外，支持和辅助设备的厂房系统:如照明系统、HVAC（空调系统）、动力系统、纯水系统、废水系统、废气排放系统以及化学品、特气系统等，也都是能耗的一部分。

鉴于高能耗的问题，集成电路厂房在设计和运营中会采取一系列节能措施，比如采用高效的HVAC（暖通空调）机组、LED照明、余热回收系统、智能能源管理系统等，以优化能源使用并减少浪费。

综上所述，集成电路厂房的能耗分析是一个综合考量生产流程、设备效率、环境控制以及能源管理策略的复杂过程。随着技术进步和可持续发展需求的增加，探索和实施更为高效的节能措施将是本行业持续关注的重点。

根据工厂和项目的特点，生产线采用连续运转制生产。生产线设备年运行355天，设备年工作时间7670小时。

本项目各种用电设备的年电能消耗分析：动力站内0.38kV设备计算容量为2557kW，10kV设备计算容量为1588kW，年电能消耗量Wy=αav*Pc*7670=0.8*（2557+1588）*7670=25433720kWh=2543.372万度电；生产厂房内0.38kV设备计算容量为5181kW，0.208kV设备计算容量为1768kW，年电能消耗量Wy=αav*Pc*7670=0.8*（5181+1768）*7670=42639064kWh=4263.9064万度电。共计6807.2784万度电。

电网上的损耗计算：

电力线路的功率损耗，因本项目的电缆回路数量较多，固选择其中一台1#变压器进行分析；变压器进线10kV电缆电阻R为ρ*L/S=0.0193*180/95=0.036568Ω，电流I=2000*0.67/√3/10=73.68A，△P=3I²R=3*73.68²*0.036568=595.6W=0.5956kW；用同样的方法对低压出线回路进行计算，得出△P=31.7kW，线路上的损耗约占此台变压器所带负载损耗的2.6%。

电力变压器的功率损耗可按0.01Sc进行估算，本项目变压器装机容量为17450kVA，变压器损耗共计147.5kW

UPS损耗按照装机容量的4%进行估算，本项目变压器装机容量为1500kVA，变压器损耗共计15Kw

电网上的损耗△P=9506*0.026+147.5+15=409.656kW，年消耗量Wr=409.656*7670=3142061.52kWh=314.2万度电。

由此可见，本项目电能的消耗巨大，主要体现在各种用电设备以及电网上的损耗。

10结语

鉴于高能耗的问题，集成电路厂房在设计和运营中会采取一系列节能措施，比如采用高效的HVAC（暖通空调）系统、LED照明、余热回收系统、智能能源管理系统等，以优化能源使用并减少浪费。工艺优化与技术创新：通过不断的技术创新，如改进芯片设计以降低动态和静态功耗、采用更高效的制造工艺流程等，也能在源头上减少能耗。通过减少电力能耗，可以降低用电成本，提高经济效益。企业可以通过电力能耗节能管理系统，降低生产成本，提高市场竞争力。

参考文献

[1] 《工业与民用供配电设计手册》（第四版）北京: 中国电力出版社.

[2] 《集成电路产业全书》北京：电子工业出版社.

[3] 《电子行业科创中心系列白皮书②-电子厂房供配电架构分析》