摘要：在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造中，設(shè)備的故障診斷與維護是一個重要環(huán)節(jié)，其影響因素眾多，例如工藝、設(shè)備、環(huán)境等。有研究表明，設(shè)備故障的95%～100%發(fā)生在生產(chǎn)運行中，只有5%～15%發(fā)生在設(shè)備運行前?？梢姡O(shè)備故障具有突發(fā)性，對生產(chǎn)影響極大。 預(yù)測性維修技術(shù)的核心是通過監(jiān)測、診斷、評估等手段獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，以避免或減少設(shè)備故障帶來的損失。實施預(yù)測性維修技術(shù)可以在不影響正常生產(chǎn)的前提下對設(shè)備進行維護保養(yǎng)，從而使設(shè)備保持最佳的工作狀態(tài)，延長使用壽命。在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程中，預(yù)測性維修技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體設(shè)備；預(yù)測性；維修技術(shù)

一、引言

半導(dǎo)體設(shè)備的預(yù)測性維修（Predicted Maintenance， PdM）是一種利用設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測，并據(jù)此采取維修措施的技術(shù)。利用故障診斷技術(shù)（如：故障樹分析法）和對設(shè)備運行數(shù)據(jù)的深入分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，預(yù)測性維修（MPM）能夠避免由于設(shè)備故障而造成的巨大經(jīng)濟損失。預(yù)測性維修（MPM）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機械、航空航天、汽車、電子、化工、核電等眾多行業(yè)，該技術(shù)對于半導(dǎo)體設(shè)備的維護同樣具有重要意義。

二、相關(guān)概念分析

（一）半導(dǎo)體設(shè)備

半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修可以提高半導(dǎo)體設(shè)備的可靠性，減少維修次數(shù)，減少停機時間，并減少維修成本。預(yù)測性維修的核心是在設(shè)備使用期間通過技術(shù)和科學(xué)方法預(yù)測設(shè)備故障發(fā)生的時間。它是一種主動式的維護策略，基于對設(shè)備運行數(shù)據(jù)的分析，以最大限度地提高設(shè)備壽命。半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修，也稱“預(yù)防性維修”或“預(yù)知性維修”，是一種能提前預(yù)測設(shè)備故障，在故障發(fā)生之前進行維修的理念。在半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，設(shè)備故障率較高，設(shè)備在運行過程中會發(fā)生各種故障，一旦發(fā)生故障便可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或停機，造成巨大的經(jīng)濟損失。在半導(dǎo)體設(shè)備中，很多設(shè)備的維護保養(yǎng)周期較長，如內(nèi)存、 GPU等。如果這些設(shè)備出現(xiàn)故障，將影響芯片產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。半導(dǎo)體設(shè)備維修費用高、效率低、維護難度大等問題，嚴(yán)重制約了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，有效地進行預(yù)測性維修研究已成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的一個重要課題[1]。

（二）預(yù)測性維修

預(yù)測性維修的特點是在故障發(fā)生之前進行維修，如果能夠在故障產(chǎn)生之前及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，就能夠極大地減少損失。預(yù)防性維修在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域和電力系統(tǒng)中。國外預(yù)測性維修的典型應(yīng)用是日本豐田汽車公司，早在20世紀(jì)80年代初就提出了預(yù)測性維修思想和概念。豐田公司開發(fā)了一種新型的汽車診斷系統(tǒng)（CAM：Control Automation Management）。CAM系統(tǒng)能對汽車行駛中的各種狀態(tài)進行實時監(jiān)測和診斷，從而采取相應(yīng)措施避免汽車在行駛中發(fā)生碰撞等危險情況。日本豐田公司預(yù)測性維修的具體做法是：利用對車輛運行數(shù)據(jù)進行采集和分析，掌握車輛的運行狀況和性能參數(shù)；當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時，將故障信息及時地傳遞到維修人員手中。

三、半導(dǎo)體設(shè)備性能穩(wěn)定對半導(dǎo)體芯片的影響

半導(dǎo)體設(shè)備性能穩(wěn)定的重要性不言而喻，首先半導(dǎo)體設(shè)備的核心部件是芯片，芯片是由成千上萬個晶體管組成的，晶體管的制作過程包括光刻、刻蝕、離子注入等工藝，其中光刻工藝是最難也最復(fù)雜的工藝，從光刻設(shè)備到半導(dǎo)體制造設(shè)備都具有極高的技術(shù)要求，而光刻設(shè)備也被稱為“最難”的工藝之一，光刻設(shè)備在生產(chǎn)過程中扮演著重要的角色。光刻技術(shù)可以分為三種：平涂法、蝕刻法和薄膜沉積法。不同的光刻技術(shù)對半導(dǎo)體芯片性能會產(chǎn)生不同的影響。

在半導(dǎo)體設(shè)備的使用過程中，半導(dǎo)體芯片的運行情況直接決定著設(shè)備的運行狀況，進而影響到整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。所以，在使用半導(dǎo)體設(shè)備時，需要充分考慮其性能穩(wěn)定。首先，要確保半導(dǎo)體設(shè)備具備一定的穩(wěn)定性。如果其性能不穩(wěn)定，則會導(dǎo)致整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)問題，從而影響到整個電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，在對半導(dǎo)體芯片進行運行時，需要保證半導(dǎo)體設(shè)備的穩(wěn)定性，如果其性能不穩(wěn)定，則會導(dǎo)致芯片運行速度降低，進而影響到整個電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其次，要保證半導(dǎo)體設(shè)備具有較強的抗干擾性。在對電子產(chǎn)業(yè)進行發(fā)展時，需要充分考慮到電子產(chǎn)業(yè)自身特點。如果其發(fā)展方向出現(xiàn)問題或者是其本身出現(xiàn)問題的話，則會導(dǎo)致整個電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度下降?？傊氡ＷC半導(dǎo)體設(shè)備的性能穩(wěn)定和抗干擾性強的話，需要對影響其性能穩(wěn)定和抗干擾性強的因素進行充分考慮和分析。

半導(dǎo)體設(shè)備精度越高，半導(dǎo)體芯片的良品率越高，這對半導(dǎo)體芯片廠商和客戶來說都是有利的。而從客戶角度出發(fā)，為了達到更高的良品率，往往會對半導(dǎo)體設(shè)備的精度提出更高要求，這樣會帶來更高的成本。但是由于半導(dǎo)體設(shè)備精度的提高，也會對其使用壽命帶來影響。對于普通的半導(dǎo)體芯片廠商來說，一般會選擇性能較好的設(shè)備供應(yīng)商，這樣才能保證其使用壽命。對于一些規(guī)模較大、有實力的芯片廠商來說，其研發(fā)實力和資金投入也更大。因此芯片廠商在購買設(shè)備時往往會選擇性能更好的設(shè)備，但這也帶來了設(shè)備精度過高的問題。因為精度過高，就意味著設(shè)備對芯片廠商自身成本和技術(shù)要求都更高，這可能會導(dǎo)致設(shè)備使用壽命下降。以光刻機為例，光刻機的精度直接決定了芯片產(chǎn)品在圖形和邊緣上的質(zhì)量。然而，光刻機本身是一種精密儀器，它主要是用來制造一些復(fù)雜形狀的半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品。在半導(dǎo)體設(shè)備使用過程中，如果光刻機精度過高會導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常運行或者是出現(xiàn)嚴(yán)重問題[2]。

四、半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修的必要性

（一）提高生產(chǎn)效率

根據(jù)日本企業(yè)的調(diào)查，其原因主要有兩個：一是通過預(yù)測性維修可以提前發(fā)現(xiàn)故障，使設(shè)備停機時間減少，從而降低成本；二是通過預(yù)測性維修可以改善設(shè)備的作業(yè)狀況，提高生產(chǎn)效率。采用預(yù)測性維修技術(shù)后，由于設(shè)備的故障率減少了，停機時間也減少了。其主要原因有三個：一是設(shè)備運行狀況良好；二是設(shè)備沒有發(fā)生嚴(yán)重故障；三是設(shè)備運行時間增加了。而這些因素，對于半導(dǎo)體制造企業(yè)來說都是至關(guān)重要的。另外，如果維修人員能夠在生產(chǎn)之前就發(fā)現(xiàn)潛在的問題，就能避免因故障停機而導(dǎo)致的損失。因此，預(yù)測性維修技術(shù)能夠顯著地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

（二）減少維修成本

通過實施預(yù)測性維修，設(shè)備發(fā)生故障的概率將會大大降低。設(shè)備的維修成本可以直接被視為生產(chǎn)成本的一部分，因為設(shè)備的維修費用與生產(chǎn)成本密切相關(guān)。例如，在一個月內(nèi)生產(chǎn)3000個零部件，如果采用了預(yù)測性維修技術(shù)，每個零部件的平均維修費用將從50美元降到0.11美元，這將直接降低生產(chǎn)成本。如果將預(yù)測性維修技術(shù)應(yīng)用于整個生產(chǎn)過程中，每個零部件的平均維修費用將降低至0.35美元[3]。

（三）創(chuàng)造附加價值

當(dāng)企業(yè)的設(shè)備與系統(tǒng)需要預(yù)測性維護時，它能夠?qū)崿F(xiàn)其他設(shè)備和系統(tǒng)的價值。這將帶來許多附加價值，包括：1.降低停機時間。企業(yè)將通過預(yù)測性維護功能優(yōu)化其業(yè)務(wù)流程，減少停機時間并提高業(yè)務(wù)效率。2.更好地提升質(zhì)量。預(yù)測性維護功能能夠確保產(chǎn)品和服務(wù)的高質(zhì)量。3.降低成本。如果設(shè)備或系統(tǒng)具有預(yù)測性維護功能，企業(yè)可以通過減少維護成本來提高盈利能力。4.增加收入，簡化運營。預(yù)測性維護可以為企業(yè)帶來更多的機會，例如降低運營成本、提高生產(chǎn)率、降低服務(wù)風(fēng)險并減少客戶投訴等，這些都將對企業(yè)產(chǎn)生積極影響。

五、半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修技術(shù)要點

（一）半導(dǎo)體設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

半導(dǎo)體設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的目的是確保半導(dǎo)體設(shè)備處于最佳狀態(tài)，降低故障率和提高生產(chǎn)率。半導(dǎo)體設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容包括：運行中的振動、溫度、壓力、流量、速度、電流、電壓等參數(shù)，以及部件的磨損狀態(tài)和運行時間。

在半導(dǎo)體設(shè)備運行過程中，振動是最常見的故障征兆之一。然而，由于振動信號在傳播過程中會受到許多外界干擾因素的影響，導(dǎo)致難以在分析前識別振動信號，因此無法有效監(jiān)測振動。在半導(dǎo)體設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，要實現(xiàn)故障的早期診斷，必須采用先進的傳感器和信號處理技術(shù)。然而，由于半導(dǎo)體設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件繁多，干擾因素眾多，因此采用先進的傳感器和信號處理技術(shù)對其進行監(jiān)測和診斷是十分困難的[4]。

（二）故障診斷

故障診斷是一種基于物理或化學(xué)特性的診斷方法，它可以預(yù)測故障或早期檢測設(shè)備的退化。這是一種非常廣泛的技術(shù)，它涉及許多領(lǐng)域，包括對設(shè)備狀態(tài)進行全面測試、診斷、分析和評估。

在設(shè)備早期發(fā)現(xiàn)并消除故障可以降低維修成本，提高設(shè)備性能和可靠性。這種技術(shù)是一個系統(tǒng)，涉及各種傳感器、工具和方法，可以幫助設(shè)備運行人員更好地了解和監(jiān)測設(shè)備的性能。故障診斷是預(yù)測性維修技術(shù)的核心部分，因為通過使用測量工具來確定設(shè)備是否存在故障，并監(jiān)測運行模式的變化。通過觀察振動、聲音、溫度、電流或其他信號，可以推斷設(shè)備的健康狀況和性能。根據(jù)這些信息，可以開發(fā)出一種或多種診斷方法來確定潛在問題的嚴(yán)重程度和可能發(fā)生故障的時間。

（三）預(yù)測性維修

通過對設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)分析，預(yù)知設(shè)備故障發(fā)生的時間和位置，提前進行維護和保養(yǎng)，達到避免故障發(fā)生、節(jié)約維修費用的目的。

半導(dǎo)體設(shè)備的預(yù)測性維修可以分為：設(shè)備健康監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測分析、維修決策四個階段。

設(shè)備健康監(jiān)測：是通過對設(shè)備的振動、溫度等數(shù)據(jù)進行采集，實時對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測。可以通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，判斷出設(shè)備是否存在故障和故障的原因。

狀態(tài)監(jiān)測：是指對設(shè)備運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，通過對傳感器數(shù)據(jù)采集和分析，判斷出設(shè)備是否存在故障。

故障預(yù)測分析：是指通過采集、分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)手段，對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析和預(yù)測。從而達到避免或減少設(shè)備故障發(fā)生，節(jié)約維修費用的目的[5]。

維修決策：是指根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合日常維護記錄和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)資料進行分析，確定最合理的維修方案。

（四）狀態(tài)評估

半導(dǎo)體設(shè)備的狀態(tài)評估是在設(shè)備運行的整個生命周期內(nèi)，通過對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，掌握設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，并基于歷史數(shù)據(jù)對未來的運行狀況做出合理預(yù)測，從而為設(shè)備管理決策提供有效依據(jù)。

通過監(jiān)測和分析，可以判斷出設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。另外，還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對未來運行狀態(tài)進行預(yù)測。半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修技術(shù)，是以系統(tǒng)性能退化規(guī)律為基礎(chǔ)，在使用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合利用計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、機械傳動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等先進技術(shù)手段，對設(shè)備運行狀況進行監(jiān)測與分析。在半導(dǎo)體設(shè)備維修管理中采用預(yù)測性維修技術(shù)能夠有效提高設(shè)備管理效率、減少維修費用、保證產(chǎn)品質(zhì)量并降低環(huán)境污染。在半導(dǎo)體行業(yè)中，預(yù)測性維修是一種重要的維修管理手段，被廣泛應(yīng)用于機械制造行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[6]。

（五）維修決策

當(dāng)設(shè)備的運行狀態(tài)接近或達到性能指標(biāo)時，就需要實施預(yù)防性維修。根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，制定合理的維修計劃，確定合適的維修周期、維修方式和維修間隔期。

對于半導(dǎo)體設(shè)備來說，其主要失效形式包括疲勞、磨損、腐蝕等。從設(shè)備故障管理角度來看，其主要內(nèi)容包括設(shè)備運行狀態(tài)、故障預(yù)測結(jié)果、故障原因分析等。預(yù)防性維修工作是在設(shè)備失效前進行的，其目的是在保證設(shè)備穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，延長設(shè)備使用壽命。預(yù)防性維修計劃的制定需要考慮設(shè)備的可靠性和安全性、運行成本、維修成本等因素，根據(jù)設(shè)備實際情況確定最佳維修間隔期。對于半導(dǎo)體設(shè)備來說，其故障主要包括工藝故障、工藝參數(shù)波動、人為操作失誤、零部件故障。上述四類故障中，工藝故障占比最大，因此可以把工藝故障作為預(yù)測結(jié)果，作為確定預(yù)防性維修周期的依據(jù)。

（六）維護指導(dǎo)

半導(dǎo)體設(shè)備的預(yù)測性維護應(yīng)在設(shè)備正常運行之前完成。根據(jù)預(yù)測性維修的要求，半導(dǎo)體設(shè)備維護應(yīng)在其正常運行期間進行。這意味著，在設(shè)備運行期間，如果發(fā)現(xiàn)故障，可以通過檢測和分析來診斷故障的原因并采取相應(yīng)的措施。如果沒有故障，則應(yīng)進行常規(guī)維護以確保設(shè)備正常運行。

由于半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修還處于初步發(fā)展階段，在實施過程中仍存在一些問題和困難。例如，如何確定監(jiān)測系統(tǒng)的類型、選擇合適的監(jiān)測方法以及如何獲取傳感器信號等。在實施過程中還需要解決一些問題：1.如何在生產(chǎn)環(huán)境下對半導(dǎo)體設(shè)備進行監(jiān)測，同時保證其正常運行；2.如何在生產(chǎn)環(huán)境下對半導(dǎo)體設(shè)備進行故障診斷，確定故障發(fā)生部位和嚴(yán)重程度；3.如何將監(jiān)測結(jié)果反饋給設(shè)備管理部門，以指導(dǎo)維修工作；4.如何確定合適的監(jiān)測周期；5.如何將半導(dǎo)體設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)結(jié)合起來進行綜合分析，以找出規(guī)律。

具體來說，需要確定以下內(nèi)容：1.所有機械和電氣組件的狀態(tài)都應(yīng)該是良好的；2.所有機械組件都應(yīng)該是可用的，并且可以通過更換或修理來恢復(fù)其性能。如果機械組件不能恢復(fù)其性能，則必須進行維修或更換。由于設(shè)備是在半導(dǎo)體工藝中運行，因此可能需要在半導(dǎo)體工藝中進行維修。但是，由于預(yù)測性維修的要求，半導(dǎo)體設(shè)備必須在半導(dǎo)體工藝中運行；3.傳感器布置及安裝位置；4.傳感器信號傳輸方式及抗干擾措施；5.半導(dǎo)體設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。

六、半導(dǎo)體設(shè)備維修模式的未來發(fā)展

半導(dǎo)體設(shè)備的維修模式在未來的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，在半導(dǎo)體設(shè)備中使用新的診斷技術(shù)，例如故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)測性維修等。

第二，使用先進的傳感器技術(shù)對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，如使用振動傳感器、壓力傳感器等。

第三，在半導(dǎo)體設(shè)備中使用新型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和集成系統(tǒng)，例如微處理器等。

第四，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對半導(dǎo)體設(shè)備的故障診斷也更加精準(zhǔn)和全面。

第五，與半導(dǎo)體設(shè)備相關(guān)的產(chǎn)品或者零部件得到優(yōu)化和升級，使其更加符合半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修模式的發(fā)展方向。

七、結(jié)束語

綜上所述，半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修是一種先進的維修理念，通過對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，以獲得設(shè)備的劣化趨勢和特征參數(shù)，從而掌握設(shè)備的運行狀況。實施半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測性維修，在一定程度上能夠避免“過度維修”“過度更換”等不經(jīng)濟的維修方式，可以有效地延長半導(dǎo)體設(shè)備的使用壽命，提高半導(dǎo)體設(shè)備的使用效率。

作者單位：王友旺 深圳深愛半導(dǎo)體股份有限公司

參考文獻

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