無線傳感器網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重要的是細致、準確地沉積多層化學材料，以形成數千、數百萬甚至在有些情況下是數 10 億個晶體管，構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視，以確保不中斷供氣。供氣意外中斷會導致價值數 10 萬美元的晶圓報廢、損失收入并使產品交付出現不可接受的延遲。為了避免停機，技術人員每天 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人為差錯，維護成本也很高。

　　以前使用這種手工數據記錄方法是因為人們認為通信系統配線很昂貴，在工廠中使用是不現實的。氣罐在工廠中到處都是，而且大多數氣罐附近都沒有 AC 電源插座或以太網插口。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視，竭力提高制造過程的效率。

　　用無線網格網絡解決問題

　　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 節點 SmartMesh IP? 無線網格網絡，以監視機柜中每個氣罐的壓力 (圖 2)。每個節點都由一對 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，就可以安裝網絡，只需偶發地進行定期維護以更換電池。盡管該工廠是混凝土建筑，金屬架構無處不在，但是該網絡已經證明是高度可靠的。到本文寫成時，這個網絡已經連續運行超過 83 天，發送了超過 2600 萬個數據包的讀數，其中僅 1 個數據包丟失，這意味著可靠性 >99.99999%。這是高可用性通信網絡及計算機系統嚴格的“5 個 9”可靠性的 100 倍。這種級別的網絡可靠性可確保工廠長期免于維護，而且系統能夠承受工廠和 RF 環境中出現的不利變化。

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

　　在氣罐機柜中，對每個氣罐都要測量氣罐壓力和穩定壓力，測得的讀數通過 SmartMesh 無線網絡發送到一個中央監視系統。每個 SmartMesh 節點都連接到一對氣罐，并通過無線網格網絡向一個涵蓋整個建筑物的 Web 服務器發送讀數。在控制室中，通過工廠的站點管理軟件工具顯示實時讀數，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，就向工廠技術人員發出警報。警報內容會顯示在控制室監視器上，并以“全天整周”的方式通過互聯網發送給工廠技術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通過無線網絡發送到工廠軟件系統，該系統預測氣體補充時間表，并幫助進行產能規劃。

　　數據分析促進效率提高

　　通過實時氣體消耗率，技術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據，毫不費力地將數據提供給工廠管理，還能夠進行趨勢分析，通過分析讀數與具體的半導體制造工藝及幾何尺寸之間的關系，可進一步發現簡化工廠運作的機會。這有助于在需求增長時，優化產能增長。

　　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 氣體鋼瓶監測網絡是完全有理由的。因此，我們計劃在整個工廠范圍里擴展這種無線網格系統，以在我們的作業中獲得更高的效率。”

　　總結

　　就半導體晶圓處理設施而言，如果運行時間優化、運行效率提高，產量就會提高，停機時間就會減少。SmartMesh IP 無線網格網絡無需中斷工廠運行就可安裝，以改造已經投產的工廠，監視氣罐使用情況。無線節點放置不受現有空間限制，在金屬和混凝土結構中能夠可靠工作，同時還能夠像工廠管理軟件發送實時讀數。這種數據可用來迅速、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。這些數據還可用于產能規劃。

　　Dust Networks

　　凌力爾特的 Dust Networks? 產品是連同無線網格網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關產品中時，形成的無線連接可實現 >99.999% 的數據可靠性和超低功耗，從而使得傳感器可以安放在嚴酷的工業物聯網 (IoT) 環境中。Dust Networks 的產品經過現場驗證，在 120 個國家已部署了超過 50,000 個客戶網絡。