Источник АО «Протон-Электротекс»
Несмотря на неспокойную финансово-экономическую атмосферу последних лет, силовая полупроводниковая электроника является сегодня одной из наиболее динамично развивающихся отраслей мировой промышленности. Это неудивительно – ведь именно силовая электроника позволяет решить ряд ключевых вопросов по проблеме радикального повышения эффективности использования энергии, а эту проблему человеческая цивилизация обязана решить уже в ближайшие десятилетия.
Силовые полупроводниковые приборы являются одним из наиболее важных элементов всей силовой электроники – именно тип силовых приборов, совокупность их характеристик, надежностных показателей, определяют сегодня ее облик. Вследствие этого к современному производству силовых полупроводниковых приборов предъявляется ряд жестких и специфических требований.
Производство силовых полупроводниковых приборов носит, как правило, значительно менее массовый характер, чем производство изделий микроэлектроники, однако номенклатура выпускаемых приборов весьма велика. Значительное количество изделий выпускается мелкой серией по специальным требованиям заказчика.
Требования к качеству и надежности выпускаемых приборов, как правило, весьма жесткие, так как «цена отказа» в силовой электронике может быть очень высокой.
Вдобавок условия современной глобальной рыночной экономики диктуют жесткие требования, как к цене, так и к срокам поставки.
Успешно удовлетворить этим жестким и противоречивым требованиям позволяет развитие систем «гибкого» производства, т.е. производства, адаптированного к быстрому выполнению специальных заказов и выпуску приборов, как большой, так и мелкой серией, обеспечивая при этом современные требования к качеству и надежности выпускаемых приборов и «разумную» цену.
Основные черты такого «гибкого» производства мы можем рассмотреть на примере нашего предприятия – АО «Протон-Электротекс».
Общая площадь производственных площадей компании составляет 8000 м2. «Протон-Электротекс» располагает развитой инфраструктурой производства, современными технологическими линиями и измерительным оборудованием, позволяющим обеспечить полный цикл изготовления продукции (рис.1).
В целях создания единого информационного пространства между всеми подразделениями, на предприятии внедрена ERP-система, что способствует более эффективному учету, планированию и распределению ресурсов (рис.2)
Условно, весь производственный цикл проходит четыре основных стадии, выделенных на предприятии в отдельные подразделения:
• изготовление полупроводниковых элементов, что включает в себя следующие технологии: шлифовку кремниевых пластин, диффузионные процессы формирования слоев полупроводниковых приборов; фотолитография – формирование топологии полупроводниковых приборов.
• изготовление полупроводниковых элементов с термокомпенсатором, что включает в себя следующие технологии: соединение кремниевых элементов с молибденовыми термокомпенсаторами, напыление контактной металлизации и формирование топологии контактных металлизированных областей, формирование периферийных областей полупроводниковых элементов: формирование профиля краевой фаски, струйное травление фаски, защита поверхности фаски.
• измерение полупроводниковых элементов, что включает в себя измерительные комплексы для определения статических и динамических параметров во всем диапазоне рабочих температур приборов.
• сборка таблеточных, модульных и штыревых приборов, а также силовых сборок с охладителями на их основе, включающих в себя чистые операции сборки и герметизации полупроводниковых приборов и приемосдаточные испытания.
Таким образом, производство достаточно сложное и имеет большое количество технологических переходов. Для оптимизации сроков изготовления партий продукции и загрузки производственных участков используется ERP-система. Ее внедрение на полупроводниковом производстве оказалось непростым делом т.к. специфика такого производства не поддерживается ни одной современной ERP системой. Поэтому нам пришлось разрабатывать собственную логику, которая максимально использует стандартные механизмы ERP, а специфические задачи передает на обработку программе, которую мы разрабатываем самостоятельно. Сегодня основные блоки системы уже работают. Благодаря этому мы повысили «прозрачность» производственных процессов, оптимизировали взаимодействие с поставщиками комплектации, что в конечном итоге позволяет прогнозировать дату отгрузки заказанных приборов с высокой степенью точности. «Прозрачная» схема производства позволяет своевременно оптимизировать пропускную способность всех участков, это повышает ритмичность производства, и – как следствие – также способствует сокращению сроков выполнения заказов.
Процесс изготовления приборов адаптирован на производство продукции по дополнительным требованиям потребителя. Могут быть изготовлены партии приборов с «нестандартным» комплексом основных электрических параметров и характеристик, есть также возможность прецизионной группировки приборов по параметрам и, например, изготовление специализированных проводных соединений.
Безусловно, «производство под заказ» - это современная и востребованная тенденция, однако это не означает, что мы начинаем закупку материалов и производство только тогда, когда получили заказ. Это бы привело к существенному увеличению сроков производства: ведь его полный цикл (от закупки материалов до отгрузки продукции клиенту) занимает более 5 месяцев. Поставка и предварительная обработка кремния занимает минимум 3 месяца, средняя продолжительность производственного цикла у нас в компании равна 1.5 – 2 месяца. Для оптимизации сроков изготовления мы проводим изучение спроса приборов в разрезе наиболее востребованных марок кремния, проводим унификацию применяемых марок кремния, работаем с клиентами для составления прогнозов продаж, работаем с поставщиками в части прогнозирования нашего спроса. Такой подход позволяет нам всегда иметь самые востребованные материалы на складе (или в качестве полуфабрикатов на производстве) и выполнять заказ в максимально короткие сроки.
«Производство под заказ» подразумевает, что наша компания производит продукцию не на склад виртуальному клиенту, а весьма гибко адаптирует продукцию к требованиям конкретного заказчика (так называемым «спецтребованиям»). Конкретным примером может служить производство партий тиристоров для последовательного и (или) параллельного соединения с малым разбросом таких электрических характеристик, как падение напряжения во включенном состоянии, время и заряд обратного восстановления.
Для получения малого разброса указанных характеристик необходимо обеспечить при производстве высокую воспроизводимость, как профилей легирования полупроводниковых слоев, так и распределения времени жизни носителей заряда в слоях полупроводниковых элементов.
Идентичность распределения легирующих примесей обеспечивается высоким уровнем технологии производства полупроводниковых элементов, прецизионный контроль времени жизни носителей заряда осуществляется с помощью специальных технологий электронного и/или протонного облучения.
Значительную роль в обеспечении быстрого и качественного изготовления партий полупроводниковых приборов играет автоматизация производственных процессов. Для производства партий приборов с параметрами «под заказ» чрезвычайно важной является возможность быстро произвести измерения его электрических характеристик, что достигается применением автоматизированных измерительных комплексов.
Для измерения характеристик производимых модулей «Протон-Электротекс» использует автоматизированный комплекс «АКИМ» собственной разработки (рис.3).
Комплекс предназначен для измерения следующих параметров:
- высоковольтного пробоя изоляции,
- блокирующего напряжения,
- характеристик затвора,
- Utm при комнатной температуре и при максимальной температуре перехода (Tjmax).
Возможно измерение всего модельного ряда производимых приборов (модулей), как с различной внутренней коммутацией, так и в различных корпусах.
В комплексе действует система считывания маркировки, которая может распознавать как одномерный штрих-код, так и двумерный. С помощью этой системы комплекс связывает результаты измерения с конкретным прибором. Обеспечено также автоматическое нанесение этикеток на приборы. Для реализации данной задачи используется принтер-аппликатор: этикетка печатается непосредственно перед нанесением.
Перемещение приборов между подсистемами комплекса осуществляется роботом-манипулятором, который является эксклюзивной разработкой специалистов АО «Протон - Электротекс». Робот представляет собой трехстепенный линейный манипулятор, с рабочей зоной 3600х1000х400мм и грузоподъемностью 7,5кг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Гибкое производство силовых полупроводниковых приборов с возможностью быстрого изготовления приборов по специальным требованиям - это современная и востребованная тенденция.
Реализация такого производства с применением автоматизированных систем планирования и учета, прогрессивных технологических процессов, роботизированного «многоцелевого» оборудования, позволяет достойно ответить вызовам современной силовой электроники.