كيف يتكيف مبرد شبه الموصلية الوحدوي مع المتطلبات المتغيرة؟

وبفضل التصميم الوحدوي، تمتلك وحدات المبردات القدرة على إنشاء نظام حلقي مغلق باستخدام وحدات ضواغط منفصلة ومستقلة لكل دائرة تبريد، وبالتالي لا تعتمد على ضاغط مركزي واحد. وفي حالات انقطاع الضواغط المُدارة أو غير المُخطَّط لها، يمكن للدوائر المجاورة أن تزيد من حِملها التشغيلي لضمان استمرار عملية التبريد دون انقطاع. ويوفّر التصميم الفريد والبنية المدمجة في النظام درجةً من التكرار (Redundancy) لعمليات الإنتاج، كما تبقى درجات الحرارة شبه ثابتة حتى في أقصى ظروف الذروة، مع تغيُّر لا يتجاوز ٠٫٥ درجة مئوية فقط. ويمكن التحكم في كل دائرة تبريد فردية بحيث تعمل عند أقل قدرة تصل إلى ١٥٪ من أقصى طاقة تشغيلية. وينتج عن ذلك وفورات كبيرة في التكاليف التشغيلية، إذ يقتصر التحكم في الطاقة على مواءمة الاستهلاك بدقة مع معدل التدفق الفعلي في الوقت الحقيقي، دون هدر في التكاليف التشغيلية الناجم عن الحاجة المتكررة إلى تشغيل وإيقاف الأنظمة الكبيرة بشكل دوري.

مع وحدات قابلة للتبديل الساخن، يمكن إجراء عمليات الصيانة والتوسعة في غرف النظافة العالية (Cleanrooms) دون الإخلال بالعمليات القائمة. وتتداخل هذه الوحدات مع وحدات المرافق، التي توفر الطاقة وسوائل التبريد ووصلات التحكم، وهي مُصنَّفة للاستخدام في غرف النظافة من الفئة ١٠٠ وفق معيار ISO. وخلال فترات الصيانة المُجدولة، يقوم الفنيون باستبدال وحدات التبريد أو وحدات المضخات داخل الهياكل القائمة، تمامًا كما يفعل موظفو تكنولوجيا المعلومات عند استبدال شفرات الخوادم (Server Blades). وبفضل إمكانية الوصول عبر اللوحة الأمامية، لم يعد على الفريق الفني أن يدخل المناطق الغبارية، مما يقلل من خطر التلوث المتبادل. وفي عام ٢٠٢٣، نشرت مجلة «Semiconductor Engineering» مقالًا تناول عدة دراسات حالة. وقد أظهرت المنشآت التي نفذت هذه الوحدات انخفاضًا بنسبة ٧٠٪ في الوقت اللازم لتوسيع أنظمة التبريد مقارنةً بالطرق التقليدية التي تعتمد على اللحام لتوصيل الأنابيب. وتم إنجاز جميع الأعمال مع الالتزام الكامل بمعايير نظافة الهواء وفق الفئة ٥ من معايير ISO.

مطابقة الحمل الذكية: دور التحكم المتغير في السعة في أتمتة العمليات أشباه الموصلات

التدريج الزمني لحمل المبردات وتشغيل وتوقيف الضواغط التي تُدار بواسطة محولات التردد لأدوات التصوير الليثوغرافي والتجوييف

تتميَّز وحدات التبريد الحديثة القابلة للتعديل بقدرتها على توفير إنتاج تبريدٍ يتناسب مع المطلوب في أي لحظةٍ معينة، وذلك من خلال استخدام وحدات تبريد قابلة للتعديل تعتمد على المعالجات الدقيقة، والتي تتضمَّن عدة دوائر تبريد منفصلة يمكن تشغيلها أو إيقافها لتوفير التبريد إلى دوائر محددة. علاوةً على ذلك، فإن وحدات التبريد (الضواغط) المدمجة في هذه الوحدات ليست مجرد أجهزة بسيطة تعمل بنظام التشغيل/الإيقاف فقط؛ بل يمكنها تنظيم إنتاجها التبريدي بنسبة تتراوح بين ١٠٪ و١٠٠٪، مما يوفِّر استجابةً شبه فورية عند تغيُّر حمل التبريد الناجم عن معدلات تبدُّد الحرارة الخاصة بماسحات الليثوغرافيا وأجهزة النقش البلازمي المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات. ويتيح الجمع بين هذه الميزات المتقدمة تشغيل وحدات التبريد بطريقةٍ غير مُهدرةٍ، دون التفريط في القدرة على التحكم في درجة حرارة سائل التبريد عند أي نقطة ضمن نطاق ±٠٫٥ °م من القيمة المُحدَّدة، حتى في حالات التغيرات الكبيرة والسريعة والتكرارية التي تحدث أثناء مختلف خطوات عملية تصنيع أشباه الموصلات.

محركات لكل وحدة وتعديل تدفق السائل لتوصيل الحرارة بدقة

تشمل وحدات المبردات صمامات كهربائية تناسبيّة تقوم بضبط تدفق سائل التبريد وفقًا لما يحدث في المعدات الواقعة في الجزء السفلي من الدائرة. ويؤدي ذلك إلى تمكين كل وحدة من توفير التبريد الأمثل لكل أداة معالجة مُحدَّدة، ومنع ارتفاعات درجة الحرارة الناجمة عن تغييرات في البرامج التشغيلية أو عند فتح باب الغرفة. ويستخدم النظام تغذية راجعة مغلقة الحلقة لضبط تدفق سائل التبريد في الوقت الفعلي مع كل تبديل في العملية. وبالمقارنة مع الأنظمة الثابتة القديمة، أظهرت الاختبارات خفضًا بنسبة ٢٣٪ في الإجهاد الحراري الواقع على الرقائق. ويُحدث هذا الانخفاض تأثيرًا كبيرًا على مصنِّعي أشباه الموصلات الذين يضطرون للعمل ضمن تحملات دقيقة جدًّا.

تنظيم درجة الحرارة التكيفي: يقوم نظام TACS بتحسين قيم درجة الحرارة المُحدَّدة تلقائيًّا أثناء التشغيل

يتداخل نظام TACS مع نظام إدارة المصانع (MES) على مستوى المصنع لتحقيق استقرار في درجة الحرارة بمقدار ±٠٫١°م خلال خطوات التعرُّض الحرجة

نظام التحكم الآلي الحراري، أو TACS، يتكامل مع نظام التحكم في منشأة التصنيع، ما يسمح للمُشغلين بتعديل قيم درجة الحرارة المُحددة مسبقًا أثناء خطوة التعرض الدقيقة ضمن العملية. وقد تؤدي درجات الحرارة التي تتجاوز +0,1 أو -0,1 درجة مئوية إلى انحراف في أبعاد المكونات الميكانيكية وكذلك إلى انحراف في التداخل (Overlay)، وهو ما قد يكون مشكلةً بالغة الخطر خصوصًا في تقنية التصوير الضوئي باستخدام الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUV). ويستفيد نظام TACS من البيانات الزمنية الحقيقية القادمة من الأدوات التشغيلية، مع إدارة ضغوط الحجرات المختلفة، وتركيب مقاوم الضوء الكيميائي، ومستويات الإشعاع، للتنبؤ بالتغييرات الحرارية والتخفيف منها عبر تعديل تدفق سائل التبريد. ويقوم النظام بالتبريد بطريقة حذرةٍ تقلل من اهتراء الضاغط، ويحافظ على درجة الحرارة المطلوبة للتفاعلات الضوئوكيميائية أثناء حدوث عمليات التعرض النشطة.

استنادًا إلى خبرتنا المكتسبة من العمليات التصنيعية الفعلية في المصانع، فإن أنظمة التحكم بالحلقة المغلقة من هذا النوع تحسّن نسبة نجاح رقائق السيليكون (Yield) وتقلل تكاليف الطاقة بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٢٠٪، وذلك لأنها تبريد فقط ما يحتاج إلى التبريد. علاوةً على ذلك، فإنها تُدار التقلبات الحرارية العشوائية داخل بيئة الغرفة النظيفة (Cleanroom)، مما يضمن ثبات الاتساق بين الدفعات المختلفة طوال دورة الإنتاج.

التكيف التنبؤي: تحسين أداء مبردات أشباه الموصلات الوحدوية باستخدام تنبؤات قائمة على البيانات والتحكم بالحلقة المغلقة

تنبؤ الأحمال باستخدام الذكاء الاصطناعي استنادًا إلى بيانات إرسال الأدوات التاريخية وبيانات دورة الحجرة

تمكّنت الذكاء الاصطناعي من تحقيق كفاءة متوسطة تبلغ نحو ٩٤٪ في التنبؤ بتراكم الحرارة استنادًا إلى بيانات إرسال الأدوات، بل وحتى قبل ٣٠ دقيقة من بدء دورات تشغيل الأدوات الحرارية المستخدمة في عمليات التصوير الضوئي والنقش. ويتيح ذلك للمهندسين التشغيليين إعادة توزيع موارد التبريد قبل حدوث أي تقلبات في درجات الحرارة داخل وحدات الدوائر. كما تتمكن أنظمة التعلُّم الآلي من تحسين جمع البيانات من أجهزة الاستشعار التشغيلية لضبط توقعات موارد التبريد في الوقت الفعلي. وأدى التبريد المُحسَّن إلى خفض وقت التشغيل غير الضروري لأنظمة الضواغط بنسبة ٢٢٪ مع التحكم في درجة الحرارة ضمن نطاق ±٠٫١ درجة مئوية من القيمة المُحددة.

دراسة حالة: ضبط القيم المُعيارية التكيفية في مصنع رقائق بقطر ٣٠٠ مم قلّل استهلاك الطاقة بنسبة ١٨٪ دون المساس بإنتاجية العمليات.

وبتحقيق وفورات سنوية تقدَّر بنحو ٣٢٠٠ ساعة من وقت تشغيل الضواغط، خفّض هذا النظام ذو الحلقة المغلقة وقت التشغيل السنوي للضواغط بمقدار ٣٢٠٠ ساعة، مع الحفاظ على كثافة العيوب.

لماذا يكتسب التصميم الوحدوي أهميةً بالغةً في أنظمة تبريد أشباه الموصلات؟

يسمح التصميم الوحدوي بالازدواجية، ما يعني إمكانية تشغيل الدوائر الفردية عند مستويات طاقة أقل، مما يزيد من وفورات الطاقة ويقلل إلى أدنى حدٍّ من تعطيل عملية الإنتاج.

كيف يعمل نظام التحكم الآلي الحراري (TACS)؟

يستخدم نظام التحكم الآلي الحراري (TACS) البيانات القادمة من نظام تنفيذ التصنيع (MES) لتعزيز استقرار درجة حرارة العملية أثناء التشغيل، وذلك عبر التحكم التنبؤي (التنبؤ في الوقت الفعلي) بالتعديلات المطلوبة على التبريد.

ما أثر الذكاء الاصطناعي في أنظمة مبرِّدات أشباه الموصلات؟

يُمكِّن الذكاء الاصطناعي التحكم التنبؤي لتحسين عملية التبريد، ويقلل إلى أدنى حدٍّ من تشغيل وقف الضاغط بشكل غير ضروري، كما يحسّن الكفاءة التشغيلية.