無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使半導(dǎo)體晶圓制造廠保持高效率運(yùn)行

　　問題

　　對半導(dǎo)體晶圓制造至關(guān)重要的是細(xì)致、準(zhǔn)確地沉積多層化學(xué)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(gè)晶體管，構(gòu)成各種各樣復(fù)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(jì)量不同的化學(xué)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(dòng)化的。有趣的是，尚未自動(dòng)化的竟然是一個(gè)非常簡單的步驟，這就是“保持氣體充足供應(yīng)”。

　　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(gè)。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(dǎo)致價(jià)值數(shù) 10 萬美元的晶圓報(bào)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(jī)，技術(shù)人員每天 3 次手工記錄工廠中每個(gè)氣罐的壓力。這種手工流程容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)，維護(hù)成本也很高。

　　以前使用這種手工數(shù)據(jù)記錄方法是因?yàn)槿藗冋J(rèn)為通信系統(tǒng)配線很昂貴，在工廠中使用是不現(xiàn)實(shí)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(dǎo)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(xiàng)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(dǎo)體公司利用實(shí)時(shí)監(jiān)視，竭力提高制造過程的效率。

　　用無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)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(gè) 32 節(jié)點(diǎn) SmartMesh IP? 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)視機(jī)柜中每個(gè)氣罐的壓力 (圖 2)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(luò)，只需偶發(fā)地進(jìn)行定期維護(hù)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(luò)已經(jīng)證明是高度可靠的。到本文寫成時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過 83 天，發(fā)送了超過 2600 萬個(gè)數(shù)據(jù)包的讀數(shù)，其中僅 1 個(gè)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(luò)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嚴(yán)格的“5 個(gè) 9”可靠性的 100 倍。這種級別的網(wǎng)絡(luò)可靠性可確保工廠長期免于維護(hù)，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(dǎo)體制造廠中的氣罐機(jī)柜 ─ 無線節(jié)點(diǎn)必須在無處不在的金屬和重型混凝土結(jié)構(gòu)中可靠運(yùn)行。

　　在氣罐機(jī)柜中，對每個(gè)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(luò)發(fā)送到一個(gè)中央監(jiān)視系統(tǒng)。每個(gè) SmartMesh 節(jié)點(diǎn)都連接到一對氣罐，并通過無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)向一個(gè)涵蓋整個(gè)建筑物的 Web 服務(wù)器發(fā)送讀數(shù)。在控制室中，通過工廠的站點(diǎn)管理軟件工具顯示實(shí)時(shí)讀數(shù)，并自動(dòng)計(jì)算運(yùn)行速率和趨勢曲線，以預(yù)測氣罐定期更換 (圖 3) 需求。此外，還設(shè)定了低壓門限，如果氣罐壓力在所設(shè)定的更換時(shí)間之前達(dá)到了高級警報(bào)門限，就向工廠技術(shù)人員發(fā)出警報(bào)。警報(bào)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(yù)測有毒氣體使用量 ─ 實(shí)時(shí)氣體使用量讀數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工廠軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)測氣體補(bǔ)充時(shí)間表，并幫助進(jìn)行產(chǎn)能規(guī)劃。

　　數(shù)據(jù)分析促進(jìn)效率提高

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

　　凌力爾特公司首席運(yùn)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(luò)是完全有理由的。因此，我們計(jì)劃在整個(gè)工廠范圍里擴(kuò)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?！?/p>

　　總結(jié)

　　就半導(dǎo)體晶圓處理設(shè)施而言，如果運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化、運(yùn)行效率提高，產(chǎn)量就會提高，停機(jī)時(shí)間就會減少。SmartMesh IP 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)無需中斷工廠運(yùn)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(diǎn)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(shí)還能夠像工廠管理軟件發(fā)送實(shí)時(shí)讀數(shù)。這種數(shù)據(jù)可用來迅速、準(zhǔn)確地確定氣體使用量，確保及時(shí)補(bǔ)充氣體、減少停機(jī)時(shí)間和氣體浪費(fèi)。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(luò)軟件的芯片和預(yù)認(rèn)證 PCB 模塊。當(dāng)嵌入到客戶的傳感器和網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品中時(shí)，形成的無線連接可實(shí)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(yán)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(yàn)證，在 120 個(gè)國家已部署了超過 50,000 個(gè)客戶網(wǎng)絡(luò)。