張旭彬， 張 逸， 張孔林， 李為明， 郭慶波， 李儉華

(1. 福州大學電氣工程與自動化學院， 福建 福州 350108；2. 國網福建檢修公司， 福建 福州 350013；3. 上海合凱電氣科技有限公司， 安徽 合肥 231131)

1 引言

對于快速發(fā)展的高端制造業(yè)，一方面其是帶動國民經濟發(fā)展的關鍵，另一方面也意味著其生產對電能質量的要求越來越高。高端制造業(yè)的各種工業(yè)過程存在著大量電壓敏感性負荷，如交流接觸器、變頻器等，使電壓暫降成為了最嚴重的電能質量問題[1-4]。歐美的統計數據表明，高達80%以上的關于電能質量問題的用戶投訴起因是電壓暫降[5]。電壓暫降給電力用戶帶來了極大的經濟損失，歐盟萊昂納多電能質量工作組2005～2006年的調查結果表明，歐盟25個成員國因電壓暫降和供電中斷引起的年經濟損失高達930億歐元[6]。對電壓暫降造成的損失進行有效、準確的評估是用戶解決電壓暫降問題的重要依據，具有重要的理論價值和工程意義，已成為電能質量行業(yè)研究的熱點問題之一。

國內外已有科研團隊對電壓暫降的損失評估進行了研究。早期國外文獻[7，8]在負荷耐受度的基礎上，考慮了電壓暫降在不確定性區(qū)域的概率問題，提出一種二元概率分布函數的經濟損失評估方法。文獻[9]結合敏感負荷暫降耐受度的不確定性區(qū)域，提出了利用負荷故障率矩陣、電壓暫降頻次矩陣和電壓暫降經濟損失矩陣來進行評估，但未考慮實際生產過程中設備的連接方式。國家標準[10]規(guī)范了電能質量問題引起的電力用戶經濟損失及治理的經濟性評估方法，然而該評估方法適用于電壓暫降影響已經發(fā)生，用戶已經收集到大量原始數據的情況，對新投建生產線的預評估并不適用。傳統的評估方法一般利用電壓暫降標準曲線(如SEMI F47、CBEMA)來確定設備的耐受度，利用電壓暫降特征量來估算生產過程故障率，但實際生產過程中，工業(yè)電力用戶更關注設備的過程參數(溫度、壓力、速度等)是否符合工藝要求[11]。CIGRE/CIRED/UIE C4.110工作組于2010年提出了過程免疫時間(Process Immunity Time，PIT)的概念[12]，通過PIT，可以建立生產過程中電壓暫降與過程參數之間的聯系，并掌握各類設備的臨界耐受度。文獻[13]將PIT應用于光學精密器件溫控過程受電壓暫降影響的經濟損失評估中，結合設備耐受度的不確定性提出參數越限嚴重性指標來進行經濟損失評估。

半導體產業(yè)是高端制造業(yè)中十分重要的分支，一方面，由于生產設備和工藝流程的特殊性，半導體的生產過程對電壓暫降極度敏感，目前還未有針對其生產過程的評估方法；另一方面，半導體產業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的新企業(yè)新廠區(qū)運營投建，對于新的生產線，一種便捷、實用的電壓暫降經濟損失預評估方法尤為重要，這是企業(yè)制定生產計劃、選擇治理方案、確定投資比例的重要依據。目前國內外對半導體企業(yè)電壓暫降經濟損失預評估的研究還較少。本文將PIT應用于半導體生產過程中，通過分析半導體生產過程關鍵設備的邏輯連接關系和測試設備過程免疫時間找出薄弱環(huán)節(jié)，結合歷史電壓暫降監(jiān)測數據來對新建生產線的電壓暫降經濟損失進行預評估。最后，實例驗證該方法結果有效，符合工程實際。

2 基于PIT的電壓暫降經濟損失預評估方法

半導體生產過程包括大量的敏感負荷及連鎖工藝，具有多物理參數和多關聯性的特點，單一地從電壓暫降幅值、持續(xù)時間、相位跳變等電氣特性出發(fā)難以刻畫生產過程的電壓暫降綜合耐受度。PIT從過程參數的角度，綜合考慮了單一負荷電壓暫降耐受度和負荷之間的邏輯連接關系，可以直觀地體現電壓暫降事件對于生產過程的影響程度及其耐受度。因此，本文采用PIT對半導體企業(yè)進行電壓暫降經濟損失預評估，其流程如圖1所示。步驟如下：①分析半導體生產過程中各工藝流程之間的順序和廠務系統的作用，確定關鍵設備的邏輯連接方式，生成生產過程故障樹模型；②通過實測獲得關鍵設備的PIT并結合故障樹推算生產過程的綜合PIT，繪制其綜合PIT曲線；③由供電公司監(jiān)測系統或用戶調研獲得上一年度電壓暫降數據，在電網結構等外部條件變化較小的背景下，可將該數據近似作為新建用戶未來一年可能遭遇的電壓暫降事件，結合綜合PIT曲線和歷史電壓暫降監(jiān)測數據預測生產過程中斷(Production Process Trips，PPT)次數；④得到單次生產中斷損失成本；⑤根據PPT和單次生產中斷經濟損失預估用戶的總經濟損失額。

圖1 電壓暫降經濟損失預評估流程圖Fig.1 Flow chart of economic losses assessment due to voltage sags

3 半導體生產過程分解

3.1 工藝流程

半導體制造產業(yè)主要有顯示面板制造、集成電路、芯片制造、光電子等。薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)憑借其對比度高、響應快速、層次感強等優(yōu)勢，被廣泛應用于移動終端、車載顯示、工業(yè)儀表、辦公顯示等行業(yè)，在液晶屏市場中占有非常大的空間。本文分析TFT-LCD生產中容易受電壓暫降影響的主要生產步驟和關鍵敏感設備，并提出其經濟損失評估方法。

TFT-LCD的生產過程設備精密、工序繁多，主要可概括為四個子工藝：薄膜晶體管陣列工藝(Array)、彩膜工藝(Color Filter，CF)、成盒工藝(Cell)和模組工藝(Module)，如圖2所示。其中，Array工藝負責將上玻璃基板制成控制液晶顯示的TFT基板，敏感設備主要有物理和化學氣相沉積系統(Physical & Chemical Vapor Deposition，PVD & CVD)、準分子激光退火設備(Excimer Laser Annealing，ELA)、離子注入&快速熱退火設備(Ion Implantation Doping & Rapid Thermal Anneal，IMP & RTA)、刻蝕機(Dry & Wet ETching，DET & WET)；CF工藝負責將下玻璃基板制成彩色濾光膜層，形成彩色和灰階，敏感設備主要有曝光機(Exposure Machine，EM)、顯影機(Developer Machine，DM)；Cell工藝將TFT基板與CF基板貼合，灌入液晶，形成液晶盒，生成液晶屏的主要部分，敏感設備有液晶滴下注入裝置；而Module工藝是將液晶屏貼上集成芯片和外圍工件，并組裝上背光源，形成LCD屏幕模塊[14]。

3.2 廠務系統

與一般的機械加工不同，TFT-LCD工藝流程對物理環(huán)境要求極為嚴格，所有設備或者生產工序、子工藝都對物理環(huán)境(如氣壓、溫度、水的純凈度等)有較高要求，比如TFT基板的制作，其設備都必須要安置于潔凈度達到一定等級的潔凈室中，這些物理環(huán)境參數均由廠務系統保證。廠務系統主要包括水系統和氣體系統，其中水系統包括工藝冷卻水(Process Cooling Water，PCW)、超純水(Ultra-Pure Water，UPW)、回收水(Recovered Water，RW)等，氣體系統包括壓縮空氣(Compressed Dry Air，CDA)、一般氮氣(General Nitrogen，GN2)、真空系統等。

經過調研分析發(fā)現，相當一部分事故起因是廠務系統受到電壓暫降影響宕機所致，且其造成的后果往往比工藝設備直接受到電壓暫降影響更嚴重。比如，排氣系統的排氣泵由變頻器拖動，當發(fā)生電壓暫降，變頻器跳閘，隨即排氣風機停機，潔凈室氣體指標發(fā)生變化，導致半導體工藝連鎖跳車，TFT制作過程中斷，生產線產品報廢，造成巨大經濟損失。

3.3 生產過程中斷故障樹

本文采用故障樹分析法[15]來表征TFT-LCD生產中各關鍵設備及子過程的邏輯關系。故障樹分析法利用與或邏輯圖確定子過程之間的連接關系，各生產過程中設備及子過程典型的連接方式有與和或兩種關系，“與門”關系下的子過程相互備用，只有全部子過程都中斷，上一級過程才會中斷；而“或門”關系下的子過程相互獨立，任何一個子過程中斷都會導致上一級過程的中斷，如圖3所示。

圖3 與或關系Fig.3 And/or logic

結合3.1節(jié)、3.2節(jié)分析和調研結果可確定TFT-LCD生產過程的中斷故障樹，如圖4所示。其中Array和CF工藝下的設備屬于3級或門，各個設備相互獨立，如EM或者DM任一設備的宕機都會導致CF工藝的中斷，Array工藝同理；而Array工藝、CF工藝及液晶滴下注入裝置位于Cell工藝下的2級或門；Cell工藝和PCW、CDA、GN2廠務系統同屬1級或門，四個子過程故障與否都直接影響TFT-LCD生產過程的中斷情況。

圖4 TFT-LCD生產過程故障樹分析Fig.4 Fault tree model of TFT-LCD process

由圖4可知，TFT-LCD生產的三級連接關系均為或門，任一設備或子過程的故障都會導致上一級工藝的中斷。而且某些敏感設備一旦宕機，由于其過程參數恢復緩慢和廢料處理、重啟檢查以及設備調試等原因，需要3～4天的時間才能回到正常工作的狀態(tài)，這也正是TFT-LCD生產極易受電壓暫降影響且損失嚴重的原因。

4 生產過程綜合PIT

4.1 過程免疫時間

過程免疫時間的定義為：生產過程在經受一定程度的電壓暫降后，其過程參數超過允許限制值的時間[12]，如圖5所示。過程參數指受生產過程中各子過程設備影響整個過程狀態(tài)的物理指標，包括溫度、壓力、速度等。圖5中，Pnom為過程參數額定值；Plimit為過程參數臨界值；t1、Δt和t2分別為電壓暫降發(fā)生時刻、過程參數響應延時以及超過臨界值的時刻。PIT的定義為：

PIT=t2-t1

(1)

圖5 過程免疫時間曲線Fig.5 Curve of PIT

對于給定的生產過程，可以確定其過程參數的額定值及臨界值。當暫降時間t<Δt，生產過程正常；當ΔtPIT，生產過程中斷。PIT越大，生產過程抵抗電壓暫降的能力越強，免疫力越強。

通過調研和實測，確定某TFT-LCD生產過程在殘余電壓為0.7pu時的關鍵設備及PIT值，如表1所示。

表1 某TFT-LCD生產過程關鍵設備及其PIT值Tab.1 Key equipments and PITs of TFT-LCD production process

4.2 綜合PIT

由設備的邏輯關系及各自PIT可知，某一生產子過程所包含設備的連接方式為“與”時，其綜合PIT可由式(2)得到：

PITP=max(PIT1,PIT2,…，PITm)

(2)

式中，PITp為綜合PIT；PITk(k=1,2,…,m)為各設備的過程免疫時間。

當設備通過“或”相連，其綜合PIT為：

PITP=min(PIT1,PIT2,…，PITn)

(3)

則對于任意具有m個與關系和n個或關系的生產過程，其綜合PIT可由式(4)得到：

PIT總=min[PIT1,…，PITn,max(PIT1,…，PITm)]

(4)

通過對TFT-LCD生產過程的分解和關鍵設備PIT的測量，可找出其生產過程中薄弱的環(huán)節(jié)，為電壓暫降的治理提供依據。

由式(4)可得，表1實例的PIT總=83ms。

通過實測，可得到不同暫降深度下關鍵設備的PIT，進一步可確定不同暫降深度的綜合PIT值，繪制其散點圖，即獲得生產過程綜合PIT曲線。

5 生產中斷次數與單次中斷經濟損失

5.1 生產中斷次數

獲得生產過程綜合PIT曲線后，可認為發(fā)生在綜合PIT曲線下方的暫降不會引起生產中斷，而發(fā)生在曲線上方的暫降則會導致生產中斷。本文方法利用新建生產線所接電網前一年度電壓暫降監(jiān)測數據進行預測，假設隨后年度電壓暫降發(fā)生情況與其相同，將此數據與綜合PIT曲線進行對比，統計其在曲線上方的次數，得到生產中斷次數預測值。

5.2 單次生產中斷損失成本

電壓暫降會造成嚴重的經濟損失，但不同行業(yè)、不同工藝所承受的損失構成和計算部分不同。結合國家標準[10]和現場調研情況可知，半導體行業(yè)電壓暫降造成的經濟損失主要包括兩部分：直接經濟損失和間接經濟損失。對于現有企業(yè)擴建的生產線，其單次生產中斷損失成本可結合現有生產線實際統計獲得；對于新企業(yè)投建的生產線可參考本文方法結合其生產計劃估算得到。

5.2.1 直接經濟損失

直接經濟損失是因電壓暫降對生產活動造成的人員、設備、財產的損失以及產出為廢品的成本支出，包括以下幾種損失：

(1)廢品損失C1：由于電壓暫降而造成產品質量不符合規(guī)定的技術標準而報廢的損失。

(2)停工損失C2：電壓暫降造成生產過程中斷后引起從事生產活動的人員停工損失。

(3)重啟動成本C3：生產過程遭受電壓暫降而中斷，為達到重新啟動生產的條件，需要額外投入的時間、人力和物力。

(4)設備成本C4：設備遭受電壓暫降停止運行或非正常運行而對其本身造成的損失。

所以，電壓暫降直接經濟損失Cd為：

Cd=C1+C2+C3+C4

(5)

5.2.2 間接經濟損失

間接經濟損失統計因電壓暫降問題使得按生產計劃本應生產出來的產品數量減少或產生次品，從而造成的利潤減少，包括兩部分：

(1)減產的利潤損失C5為：

C5=(減產數量-次品數量)×單個產品利潤

(6)

(2)次品造成的損失C6為：

C6=次品數量×(合格品單位利潤-

次品單位利潤)

(7)

所以，電壓暫降間接經濟損失Ci為：

Ci=C5+C6

(8)

5.3 電壓暫降經濟總損失

由式(5)、式(8)可得，單次電壓暫降導致生產過程中斷的損失C可表示為：

C=Cd+Ci

(9)

綜上，用戶受電壓暫降影響的總損失C總為：

C總=NC

(10)

式中，N為統計時段(例如一年)內PPT的預測值。

6 實例分析

為了驗證所提方法的可行性，將其應用于某大型TFT-LCD制造企業(yè)(最高電壓等級：110kV，主變壓器容量：2×63MV·A，日用電量：2.5×106kW·h)生產過程電壓暫降經濟損失評估中，并將評估結果與企業(yè)實測統計結果(如表2所示)進行對比分析。

評估過程如下：

(1)分析得到生產過程中斷故障樹，如圖4所示。

(2)經調研實測得到不同電壓暫降深度下關鍵設備的PIT，結合圖4，得到生產過程的綜合PIT，如表3所示。然后，繪制綜合PIT曲線圖，如圖6所示。

(3)預測PPT。供電公司提供的上一年度電壓暫降監(jiān)測數據如表2所示，統計此組數據在圖6綜合PIT曲線上下方的次數，如圖7所示。

(4)結合調研情況，根據式(5)～式(9)估算單次生產中斷損失值大約為546萬元，具體如表4所示。

表2 實際生產中斷次數及損失值Tab.2 Actual PPT and economic losses

表3 某TFT-LCD生產過程綜合PIT值Tab.3 Comprehensive PITs of TFT-LCD production process

圖6 某TFT-LCD生產過程綜合PIT曲線Fig.6 Curve of comprehensive PIT of TFT-LCD production process

圖7 某TFT-LCD生產中斷次數預測值Fig.7 PPT prediction of TFT-LCD production process

表4 單次生產中斷損失成本Tab.4 Economic losses for single process trip

(5)由圖7可得，發(fā)生在綜合PIT曲線上方的電壓暫降有9次(上一年度發(fā)生電壓暫降共16次)，即N=9，由式(10)預估總經濟損失值為：9×546=4914萬元。

將評估結果與實際生產中斷次數和經濟損失進行對比分析可知：

(1)該方法預測共有9次電壓暫降會導致生產過程中斷，7次不會導致生產過程中斷，與企業(yè)實際統計對比發(fā)現，在綜合PIT曲線邊緣處有2次理論預測和實際結果不一致，即PPT誤差次數為2，誤差來自PIT測試時系統誤差、隨機誤差等因素。

(2)經濟損失預測比實際大16.14%，這是由于本文方法為預評估方法，因此在進行PIT測試時將設備完全中斷的最嚴重情況作為考慮情景。

以上結果說明該方法的誤差在工程上可以接受，具有可行性。

7 結論

本文以TFT-LCD生產為例，分析得到的故障樹模型適用于目前主流液晶屏的生產過程，某大型企業(yè)實測數據驗證了該方法的可行性。本文方法可為企業(yè)設計生產流程、制定供電方案、選擇暫降治理方案提供有效指導意見；同時，本文方法原理清晰，計算簡便，易于掌握，具備工程實用價值。

本文側重分析了TFT-LCD生產過程中關鍵設備和廠務系統的邏輯連接關系，而芯片制造、光電子等其他半導體行業(yè)的工藝流程和廠務系統各不相同，未來需要確定不同生產過程的故障樹，有針對性地進行經濟損失評估和電壓暫降治理。

參考文獻(References)：

[1] 章雪萌(Zhang Xuemeng).電壓暫降源的定位與暫降經濟性研究(Study on the source location and economy of voltage sag) [D]. 北京: 華北電力大學 (Beijing: North China Electric Power University), 2010.

[2] 劉旭娜，肖先勇，汪穎(Liu Xuna, Xiao Xianyong, Wang Ying).電壓暫降嚴重程度及其測度、不確定性評估方法(Voltage sag severity and its measure and uncertainty evaluation) [J]. 中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2014， 34(4)：644-658.

[3] 劉勃江，李華強，肖先勇，等(Liu Bojiang, Li Huaqiang, Xiao Xianyong, et al.).敏感設備電壓暫降故障水平的風險評估(Risk assessment for failure level of sensitive equipment caused by voltage sag) [J].電力系統及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2016，28(3)：87-92.

[4] 唐琳，肖先勇，張逸，等(Tang Lin，Xiao Xianyong，Zhang Yi，et al.). 電壓暫降狀態(tài)和水平評估模式匹配法與監(jiān)測裝置多目標優(yōu)化配置(Voltage sag state and level assessment based on pattern matching method and multi-objective optimal monitors allocation) [J]. 中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2015，35(13)：3264-3271.

[5] 周林，吳紅春，孟婧，等(Zhou Lin，Wu Hongchun，Meng Jing，et al.).電壓暫降分析方法研究(Study of the voltage sag analysis methods) [J]. 高電壓技術(High Voltage Engineering)，2008，34(5)：1010-1016.

[6] Targosz R, Manson J. Pan-European LPQI power quality survey [A]. 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation [C]. 2007. 1-6.

[7] Milanovic J V, Gupta C P. Probabilistic assessment of financial losses due to interruptions and voltage sags - Part I: The methodology [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(2):918-924.

[8] Milanovic J V, Gupta C P. Probabilistic assessment of financial losses due to interruptions and voltage sags - Part II: Practical implementation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(2):925-932.

[9] 丁澤俊，陳波，雷金勇，等(Ding Zejun，Chen Bo，Lei Jinyong，et al.).電壓暫降的經濟損失評估(Economic loss assessment of voltage sag) [J]. 現代電力(Modern Electric Power)，2011，28(5)：90-94.

[10] GB/Z 32880.1-2016，電能質量經濟性評估 - 第1部分：電力用戶的經濟性評估方法(Ecomomic evaluation of power quality - Part 1: Economic evaluation method for the end-users) [S].

[11] 劉陽，肖先勇，劉旭娜，等(Liu Yang，Xiao Xianyong，Liu Xuna，et al.). 考慮用戶定量需求的優(yōu)質電力園區(qū)DVR優(yōu)化配置(Optimal configuration of DVR in premium power park considering customers’ quantitative demand) [J].電網技術(Power System Technology)，2015，39(3)：823-828.

[12] CIGRE/CIRED/UIE Joint Working Group C4.110. Voltage dip immunity of equipment and installations [R]. Paris, France：CIGRE, 2010.

[13] 李春海，李華強，劉勃江(Li Chunhai，Li Huaqiang，Liu Bojiang). 基于過程免疫不確定性的工業(yè)用戶電壓暫降經濟損失風險評估(Risk assessment based on process immunity uncertainty for industrial customers’ financial losses due to voltage sags) [J]. 電力自動化設備(Electric Power Automation Equipment)，2016， 36(12)：136-142.

[14] 陳程(Chen Cheng). 液晶屏成盒后電測與亮點檢出機理研究(Research on voltage test and highlight after cell process of TFT-LCD) [D].上海：復旦大學(Shanghai: Fudan University), 2011.

[15] Yasir M, Kazemi S, Lehtonen M, et al. A novel approach for assessing the impacts of voltage sag events on customer operations [A]. IEEE Electric Power Quality and Supply Reliability Conference[C]. 2012. 1-5.