無線傳感器網(wǎng)絡使半導體晶圓制造廠保持高效率運行

 問題

對半導體晶圓制造至關(guān)重要的是細致、準確地沉積多層化學材料，以形成數(shù)千、數(shù)百萬甚至在有些情況下是數(shù) 10 億個晶體管，構(gòu)成各種各樣復雜的集成電路 (IC)。在制造這些 IC 的過程中，每一步都要精確計量不同的化學氣體，而氣體使用量差異會很大，這是由不同的工藝所決定。在大多數(shù)情況下，這些步驟是高度自動化的。有趣的是，尚未自動化的竟然是一個非常簡單的步驟，這就是“保持氣體充足供應”。

在凌力爾特公司位于美國加利福尼亞州圣何塞附近的硅谷制造廠中，用于晶圓制造的專用氣罐超過 175 個。這些氣罐受到了密切監(jiān)視，以確保不中斷供氣。供氣意外中斷會導致價值數(shù) 10 萬美元的晶圓報廢、損失收入并使產(chǎn)品交付出現(xiàn)不可接受的延遲。為了避免停機，技術(shù)人員每天 3 次手工記錄工廠中每個氣罐的壓力。這種手工流程容易出現(xiàn)人為差錯，維護成本也很高。

以前使用這種手工數(shù)據(jù)記錄方法是因為人們認為通信系統(tǒng)配線很昂貴，在工廠中使用是不現(xiàn)實的。氣罐在工廠中到處都是，而且大多數(shù)氣罐附近都沒有 AC 電源插座或以太網(wǎng)插口。出于安全和抗震原因，用混凝土墻建造了這座工廠，因此安裝新導線成本之高令人望而卻步。此外，供電及通信線路安裝這種大型項目也會中斷制造過程，會要求工廠停工。

圖 1：提高制造效率 ─ 半導體公司利用實時監(jiān)視，竭力提高制造過程的效率。

用無線網(wǎng)格網(wǎng)絡解決問題

為了在不中斷制造過程的前提下解決配線問題，初步部署了一個 32 節(jié)點 SmartMesh IP™ 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡，以監(jiān)視機柜中每個氣罐的壓力 (圖 2)。每個節(jié)點都由一對 AA L91 鋰電池供電，以在正常工作情況下提供大約 8 年運行壽命。也就是說，無需增加配線、也不必停工，就可以安裝網(wǎng)絡，只需偶發(fā)地進行定期維護以更換電池。盡管該工廠是混凝土建筑，金屬架構(gòu)無處不在，但是該網(wǎng)絡已經(jīng)證明是高度可靠的。到本文寫成時，這個網(wǎng)絡已經(jīng)連續(xù)運行超過 83 天，發(fā)送了超過 2600 萬個數(shù)據(jù)包的讀數(shù)，其中僅 1 個數(shù)據(jù)包丟失，這意味著可靠性 >99.99999%。這是高可用性通信網(wǎng)絡及計算機系統(tǒng)嚴格的“5 個 9”可靠性的 100 倍。這種級別的網(wǎng)絡可靠性可確保工廠長期免于維護，而且系統(tǒng)能夠承受工廠和 RF 環(huán)境中出現(xiàn)的不利變化。

圖2：半導體制造廠中的氣罐機柜 ─ 無線節(jié)點必須在無處不在的金屬和重型混凝土結(jié)構(gòu)中可靠運行。

在氣罐機柜中，對每個氣罐都要測量氣罐壓力和穩(wěn)定壓力，測得的讀數(shù)通過 SmartMesh 無線網(wǎng)絡發(fā)送到一個中央監(jiān)視系統(tǒng)。每個 SmartMesh 節(jié)點都連接到一對氣罐，并通過無線網(wǎng)格網(wǎng)絡向一個涵蓋整個建筑物的 Web 服務器發(fā)送讀數(shù)。在控制室中，通過工廠的站點管理軟件工具顯示實時讀數(shù)，并自動計算運行速率和趨勢曲線，以預測氣罐定期更換 (圖 3) 需求。此外，還設定了低壓門限，如果氣罐壓力在所設定的更換時間之前達到了高級警報門限，就向工廠技術(shù)人員發(fā)出警報。警報內(nèi)容會顯示在控制室監(jiān)視器上，并以“全天整周”的方式通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給工廠技術(shù)人員和工廠管理軟件。

圖 3：用軟件分析工具預測有毒氣體使用量 ─ 實時氣體使用量讀數(shù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到工廠軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)預測氣體補充時間表，并幫助進行產(chǎn)能規(guī)劃。

數(shù)據(jù)分析促進效率提高

通過實時氣體消耗率，技術(shù)人員可以精確地預測氣罐何時需要更換，從而可以減少因過早更換氣罐而導致有剩余氣體被浪費的情況。好處不止于提高日常運行效率。通過集中收集氣體使用量數(shù)據(jù)，毫不費力地將數(shù)據(jù)提供給工廠管理，還能夠進行趨勢分析，通過分析讀數(shù)與具體的半導體制造工藝及幾何尺寸之間的關(guān)系，可進一步發(fā)現(xiàn)簡化工廠運作的機會。這有助于在需求增長時，優(yōu)化產(chǎn)能增長。

凌力爾特公司首席運營官 Alex McCann 指出：“效率的提升表明安裝 SmartMesh 氣體鋼瓶監(jiān)測網(wǎng)絡是完全有理由的。因此，我們計劃在整個工廠范圍里擴展這種無線網(wǎng)格系統(tǒng)，以在我們的作業(yè)中獲得更高的效率。”

總結(jié)

就半導體晶圓處理設施而言，如果運行時間優(yōu)化、運行效率提高，產(chǎn)量就會提高，停機時間就會減少。SmartMesh IP 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡無需中斷工廠運行就可安裝，以改造已經(jīng)投產(chǎn)的工廠，監(jiān)視氣罐使用情況。無線節(jié)點放置不受現(xiàn)有空間限制，在金屬和混凝土結(jié)構(gòu)中能夠可靠工作，同時還能夠像工廠管理軟件發(fā)送實時讀數(shù)。這種數(shù)據(jù)可用來迅速、準確地確定氣體使用量，確保及時補充氣體、減少停機時間和氣體浪費。這些數(shù)據(jù)還可用于產(chǎn)能規(guī)劃。

Dust Networks

凌力爾特的 Dust Networks® 產(chǎn)品是連同無線網(wǎng)格網(wǎng)絡軟件的芯片和預認證 PCB 模塊。當嵌入到客戶的傳感器和網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品中時，形成的無線連接可實現(xiàn) >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性和超低功耗，從而使得傳感器可以安放在嚴酷的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境中。Dust Networks 的產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場驗證，在 120 個國家已部署了超過 50,000 個客戶網(wǎng)絡。