Mehr als Volt und Ampere Netzteile für anspruchsvolle Halbleiterfertigung

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Im Laufe der Jahre haben neue Funktionen die Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit von Stromversorgungen verbessert. Dieser Beitrag zeigt, wie digitale Steuerung und Programmierbarkeit Netzteile für Entwickler von Halbleiteranlagen wertvoll machen.

Die Halbleiterindustrie steht vor einem bedeutenden Wandel, angetrieben durch KI- und Datentechniken für Training und Inferenz. Dieser Fortschritt ist entscheidend, um eine intelligente Daten- und KI-Revolution in verschiedenen Bereichen umzusetzen. Heterogene Integration und fortschrittliche Gehäuse verbessern die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Halbleitern. Die EUV-Lithografie wird kleinere Strukturen und mehr Präzision ermöglichen und so leistungsfähigere und effizientere Chips hervorbringen. Neue Materialien treiben Neuerungen beim Chipdesign voran, um Funktion und Leistungsfähigkeit weiter zu steigern.

Nachhaltigkeit und Wachstum im Halbleitersektor

Laut Gartner könnte das jährliche Gesamtwachstum der Halbleiterindustrie bis 2030 im Durchschnitt zwischen 6 und 8% liegen, was einem Marktvolumen von 1 Bill. US-$ entspricht. In der Branche herrscht zunehmend Einigkeit darüber, dass neue Fabs effizienter sein und mit erneuerbarer Energie betrieben werden müssen, wobei strenge Nachhaltigkeitsstandards einzuhalten sind. Dieser Übergang hin zu umweltfreundlichen Herstellungsverfahren ist entscheidend, um die Netto-Null-Ziele zu erreichen und zeigt das Engagement für mehr Umweltverantwortung. Die Produktion von Halbleiterchips ist besonders energieintensiv – von der anfänglichen Herstellung der Siliziumwafer bis zur abschließenden Testphase – wobei ein Großteil der Energie derzeit aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.

Waferfab-Ausrüstung: Trends und Anforderungen

Hersteller von Waferfab-Ausrüstung verlangen von den Herstellern von Stromversorgungen eine schnelle Reaktion bei der Prozessbewertung, insbesondere bei Produktmustern und -modifikationen. Diese schnelle Reaktion ist entscheidend, da sie sich direkt auf den Abschluss neuer Fertigungsverträge auswirkt.

Darüber hinaus ist es wichtig, mehr Steuerung und Überwachung in Stromversorgungen/Netzteile zu integrieren. Dies erleichtert die Datenerfassung über den Betriebszustand der Maschine und hilft auch bei der schnellen Identifizierung und Lösung von Systemproblemen. Die Folgen eines Stromausfalls in einer Halbleiterfertigungsanlage sind schwerwiegend, da mögliche Ausfallzeiten zu erheblichen finanziellen Verlusten für die Endkunden führen können, die sich oft auf Millionen von Dollar belaufen.

Häufige Probleme im Zusammenhang mit dem Bau neuer Maschinen

Die Wahl der richtigen Stromversorgung für neue Maschinen kann mit Herausforderungen verbunden sein. Ein häufiges Problem ist eine begrenzte 3-Phasen-Infrastruktur an vielen Standorten, was sich darauf auswirkt, wo und wie eine neue Maschine eingesetzt werden kann. Eine Stromversorgung mit einem universellen 1-Phasen-Eingang von 90-264 VAC löst dieses Problem, indem sie eine größere Standortflexibilität bietet und den effizienten Betrieb der Maschine in Umgebungen ermöglicht, in denen kein 3-Phasen-Strom verfügbar ist.

Eine weitere Herausforderung ist die fehlende Möglichkeit, das Netzteil gemäß den Anforderungen des Systems und der Endanwendung zu steuern. Entwickler können ihr Anwendungsdesign flexibler auslegen und die Systemintegration genau auf ihre Bedürfnisse anpassen, wenn sie ein Netzteil wählen, das eine Firmware-Konfiguration über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) ermöglicht.

Ein weiteres Hindernis bei Hochleistungsanwendungen sind die Platzbeschränkungen, da solche Maschinen meist eine große Stellfläche einnehmen. Auch die Systemintegration und die Sichtbarkeit des Systemzustands können aufgrund fehlender Steuerungs- und Überwachungsfunktionen problematisch sein. Ein Netzteil mit integrierten benutzerdefinierten digitalen Steuerungen, Signalen und Alarmen kann das Systemdesign erheblich optimieren und die Wartungs- und Betriebskosten senken, indem es Echtzeit-Einblicke in den Systemzustand bietet und bei Bedarf sofortige Anpassungen ermöglicht.

Schwankungen in der angeschlossenen Last können zu Instabilität und potenziellen Schäden führen. Ein Netzteil, das automatisch zwischen Konstantstrom- und Konstantspannungsmodus umschalten kann, schützt vor diesen Problemen und bewahrt das Netzteil als auch das Endnutzersystem vor Schäden durch Lastschwankungen.

Bei der Auswahl eines Netzteils für neue Maschinen sind einige Herausforderungen zu bewältigen – von Einschränkungen der Infrastruktur bis hin zur Einhaltung von Vorschriften. Durch die Wahl einer Stromversorgung, die auf diese spezifischen Herausforderungen zugeschnitten ist, können Hersteller bei ihren Designs flexibler, effizienter und kostengünstiger agieren.

Der skalierbare, digitale und konfigurierbare Ansatz

Die HP-Reihe kompakter, flexibler Hochleistungsnetzteile mit 1- und 3-Phasen-Eingang verkörpert den skalierbaren, digitalen und konfigurierbaren Ansatz von XP Power. Die HP-Reihe verfügt über ITE-Sicherheitszulassungen und ist SEMI-F47-konform. Die Netzteile sind in platzsparenden mechanischen Formaten mit digitaler Signalverarbeitung, mehreren Kommunikationsprotokollen, benutzerkonfigurierbaren Funktionen und von 1,5 bis 30 kW erhältlich. Für zusätzliche Flexibilität werden 1- und 3-Phasen-Stromversorgungen mit Nennausgängen von 24 bis 200 VDC angeboten.

Die 2019 eingeführte Serie HPT von 5kW-Netzteilen verfügt über einen 3-phasigen, 3-adrigen 180-528VAC-Eingang, der die Installation vereinfacht, da kein Neutralleiteranschluss erforderlich ist, der in Halbleiterfertigungsanlagen oft nicht verfügbar ist. Mit der Einführung der HPA-Serie, zwei Jahre später, einer 1-phasigen 1,5kW-Einheit, reagierte XP Power auf den Bedarf an Stromversorgungen, die Konstantspannungs- (CV) als auch Konstantstrombetrieb (CC) bieten und programmierbar, flexibel und benutzerkonfigurierbar sind. Im Jahr 2023 brachte XP Power die Serie HPF von 3kW-Netzteilen auf den Markt, um dem Bedarf an Halbleiterfertigungsanlagen gerecht zu werden, die immer ausgefeiltere und leistungsstärkere Netzteile erfordern.

Alle Netzteile der HP-Reihe verfügen über eine eindeutige digitale ID, sodass Nutzer jedes einzelne Gerät in einer Systemlösung mit mehreren Geräten individuell steuern und überwachen können. Die robuste digitale Architektur wurde weiterentwickelt, um anspruchsvolle Funktionen für mehr Leistungsfähigkeit und Sicherheit zu bieten. Dazu gehört eine Anstiegsratensteuerung, um Spannungs- und Stromüberhöhungen zu verringern, was die Stabilität des Systems gewährleistet.

Eine einheitliche grafische Benutzeroberfläche sorgt für ein entsprechendes Erscheinungsbild aller HP-Serien und optimiert so die Benutzererfahrung auf ganzer Linie. Die Einheiten verfügen über programmierbare Fehlererkennungs- und Reaktionsmechanismen sowie eine Aufzeichnungsoption zur Nachverfolgung und Analyse von Vorfällen. Nutzer werden durch Alarme und Warnmeldungen über Abweichungen bei Ausgangsspannung, Strom und Temperatur auf dem Laufenden gehalten, sodass Maßnahmen ergriffen werden können.

Anwendungsbeispiele und Zusammenfassung

In der Halbleiterfertigung ist die Reproduktion der genauen Leistungsmerkmale und Betriebsparameter der Stromversorgung eine besondere Anforderung, um die Konsistenz, Qualität und Zuverlässigkeit der Anwendung zu gewährleisten.

Trockenätzen bietet eine höhere Präzision und Anisotropie als Nassätzen und eignet sich daher für fortschrittliche Mikrofertigung, insbesondere bei Halbleitern, mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und integrierten Schaltkreisen (ICs). Beim Trockenätzen werden Gase oder Plasmen zum Ätzen von Materialien verwendet, die chemisch beständig sind und daher nicht nass geätzt werden können, z. B. Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Ein typisches Trockenätzsystem benötigt eine 3kW-Stromversorgung, die eine Spannung von 36 VDC liefert, was die HPF-Serie abdeckt. Für Wafer-Testsysteme, die in der Regel 6 kW und 48 VDC benötigen, können zwei HPF-Einheiten über einen einzigen Bus parallel betrieben werden.

Die Integration digitaler Steuerung und Programmierbarkeit in Stromversorgungen revolutioniert die Halbleiterindustrie, indem sich die Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Fertigungsanlagen dort verbessert. Da der Sektor weiterhin ein rasantes Wachstum verzeichnet, ist die Einführung digitaler Funktionen in Netzteile nicht nur ein Trend, sondern eine Notwendigkeit. Der skalierbare, digitale und konfigurierbare Ansatz von XP Power, insbesondere durch die Stromversorgungen der HP-Reihe, ist ein Beispiel für diese zukunftsorientierte Strategie.

Diese Fortschritte ermöglichen es Entwicklern, in der Design- und Entwicklungsphase viel Zeit zu sparen und die Betriebszeit der Anlagen vor Ort zu maximieren. Durch eine proaktive vorausschauende Wartung wird sichergestellt, dass die Anlagen effizienter und zuverlässiger arbeiten, was das Risiko kostspieliger Ausfallzeiten verringert und eine nachhaltigere Fertigungsumgebung fördert. (mr)

* Hafiz Khalid ist Product Marketing Director bei XP Power

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