Fab15P3/4 & Fab AP5年度維修報告與錫鬚分析技術分享

1.前言

F15A為台積公司於中科園區建立的第一座超大晶圓廠(Giga Fab)，主要製程為28及22奈米；F15A廠包括F15P1/2 及F15P3/4兩座生產廠房，其中在F15P3/4係於2012年建廠，至今運轉已屆10年，期間已進行過2次歲修(2017/2020年)。

AP5前身為台積太陽能廠，於2017年改為台積先進封測廠，運轉至今，於2021年已進行過1次歲修，因電力系統架構關係，上述歲修範圍以高壓以上設備為主。

F15P3/4電力設備與F15P1/2相同在主變壓器部分採用華城公司生產的電力油式變壓器，為TSMC唯一使用華城油式變壓器的廠區；另外，在C-GIS部分，亦首先導入西門子定型高壓瓦斯絕緣開關，此為較其它300mm廠區供電系統不同之處。AP5 的高壓電力供電網絡來源為F15P3/4高壓站供應，因此F15P3/4 與 AP5 在供電系統上有個密切的上下游關係。

2.歲修計畫

F15P3/4 & AP5規劃，選用三年一輪(2小1大)模式進行歲修規劃，本次2022年表定週期為小歲修，F15P3/4四座主變壓器架構可分做3天進行保養，並且規劃於第1天進行發電機高壓系統保養，做為正式歲修前熱身，讓人員進入歲修狀態，第2 ~ 4天進行主要設備停電保養。

2.1 APM歲修範圍

F15P3/4 & AP5 Y2022小APM，依據APM PM O.I.進行4項保養項目，每次範圍為25%高壓電力設備保養，規劃4次小歲修(2022/2024/2025/2027)，完成全廠區100%高壓電力系統保養。

為避免單日切換時間過長而影響後續保養時程，本次電力切換及保養規劃於4個工作日完成，特高壓系統集中於前2天執行(10/11~10/12)，中低壓系統則集中於後2天執行(10/13~10/14)，如圖1所示。

2.2 APM作業項目

F15P3/4 & AP5本次APM共計執行七個項目，包含保養及改善項目；四項保養項目(GIS、MTR、C-GIS、高低壓設備)與三項改善工程(161 kV GIS Bus#1 PT 更換、高壓PT+Fuse改善及低壓盤錫鬚清理)，如表1所示。

2.2.1 161kV GIS維護保養

161kV GIS共7 Bay，包含：CB*7顆、DS*14顆，2022年施作CB*1顆(1650)、DS*3顆(1501/1511/1651)，PM內容：SF6氣室檢測、CB機構檢測及保養，DS/ES機構檢測及保養，LCP盤告警功能測試，電氣(MOF PT/CT、各Bay PT/CT)設備檢測等，如圖2所示。

2.2.2 161kV油浸式變壓器維護保養

F15P3/4主變壓器共4座分四次小歲修執行，本次保養MTR#5，PM內容包含：外觀點檢、功能測試(活線濾油機、保護裝置動作/告警測試)、絕緣油檢測、變壓器線圈檢測、OLTC吊出檢查清潔保養及換油，如圖3所示。

2.2.3 22.8kV CGIS維護保養

本次CGIS規劃主要執行NH-500側迴路，包含CUP、FAB、HPM之Main、Tie、Feeder共37盤，項目包含：控制盤功能測試、CB機構檢測及保養、DS/ES機構檢測及保養、SF6氣室檢查，如圖4所示。

2.2.4 高壓電氣設備檢測保養

高壓電氣設備檢測包含項目繁多，主要可分類為(1) 緊急電高壓傳統盤檢測 (2) 模鑄式變壓器檢測 (3) 保護電驛檢測 (4) 電力電纜檢測，本次執行範圍之照APM Team所表定項目週期進行NH-500側高壓電氣設備檢測；清潔點檢除NH-500側再增加NH-700側Scope，如表2所示。

2.2.5 161kV GIS Bus#1 PT更換(CIT改善)

GIS BUS1 PT自2019/06開始微滲(700 kPa)，2022/07讀值660 kPa，月滲漏率0.97 kPa，於本次歲修進行PT更換及SF6氣體充填作業，如圖5所示。

2.2.6 HV SWGR PT更換為Fuse PT (CIT改善)

2017年F15P1高壓站PT故障L/L，後續檢討改善將既有PT改為Fuse PT，可避免在PT故障時藉由Fuse快速熔斷清除故障，以避免擴大事故範圍造成整站停電，本次規劃執行5組共15顆PT，如圖6所示。

2.2.7 低壓盤錫鬚清理(風險降低)

台積共發生7次南亞低壓盤錫鬚短路事故，其中F15P3/4發生2次，我們使用伸桿式小鏡頭全檢，發現F15A「高/中風險銅排錫鬚」共29迴，分布於17個半套低壓盤，與工廠協調於M208 ~ M212依序17次小規模停電清理，由認證廠商人員進行「每盤每次半套不分風險等級清除所有分路錫鬚」，將高風險 & 中風險於Y22年底前清除完成，如表3所示。

2.3 APM作業時程

依照APM規範，每日電力切換時間08:00~10:00 (2Hr)，歲修保養時間10:00~18:00 (8Hr)，電力系統復歸時間18:00~20:00 (2Hr)，每日切換及保養時間控制在12小時內完成，如圖7所示。

2.4 APM人員組織編排

APM人員組織編排分為兩部分：第一部分為歲修時的電力系統切換組別，如表4所示，第二部分為歲修保養的施工小組編排，如表5所示。

第一部分電力系統切換，人員編制考量有兩點，(1)人員對現場走位熟悉度避免移動時間過久 (2)操作人員固定，指揮官對操作小組窗口較單一且成員對系統切換熟悉度較高，另有一組人員於RCP Room待命，由指揮官判斷各變電站電壓下指令手動操作OLTC檔位。

第二部分現場施工人員編制，本次歲修進行25%高壓電力系統保養，以及系統工程，考量項目眾多以及現場施工品質，採用各工項指派專責小組施工確保：(1)施工手法皆能統一、(2)對於單一工項時掌握度較高，安排有運轉經驗或是有負責該工項經驗之工程師協助監工，強化施工專責小組之戰力。

2.5 APM人員管控表

APM四天工作出勤共266人次(F15A/B工程師共58人次，廠商208人次)，四天工作人員編組可參照前述施工人員編組表，同表5所示。

2.6 APM安全宣導

APM工具箱會議於10/11~10/14每日07:30於CUP 外圍管橋下方舉行，現場由工程師進行點名與安全宣導，餐廳當日供應便當，建議各家廠商自行訂購便當，中間休息可至餐廳或是CUP棟 L30紅藍分組兩間會議室提供支援人力與廠商，如圖8所示。

3.執行成果

3.1 APM工程進度管控表

F15P3/4 & AP5由於為四座主變壓器廠區，規劃兩輪三年歲修共4次小APM完成全廠區100%高壓電力系統範圍，2022年本次則執行25%高壓電力設備保養，每日整點由當站負責工程師回報當日工程進度，確保當日PM項目與時間是否如期，有效做到PM時間控管，如表6。

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

F15P3/4 & AP5小歲修順利完成25%高壓電力設備保養，總計切換 954 個步驟，UPS APM 前的 ECO mode 切為 INV mode 共 126台，OLTC 電壓調控，低壓盤電容頭切等動作，透過電力系統無感切換，期間工廠正常生產，FAC Utility供應品質正常，如表7所示；期間透過UPS 切換，OLTC調整、UPS 切至 INV、低壓站電容盤投切等調整機制，達到電力供應品質無虞，如圖9所示。

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

本次歲修共發現6項Finding，包括低壓盤內高風險錫鬚、161kV GIS BUS1 PT SF6洩漏，MTR#5 OLTC連動軸異音問題、電纜處理頭冷縮披覆層外觀擦傷及模鑄式變壓器絕緣礙子破損、及半戶外型模鑄式變壓器電力因數異常；若上述元件發生故障，將造成廠務供應品質失控(OOS)及供應量不足、大量晶片報廢(Wafer Scrap)、長時間復線時間(Long Recovery)、消防火警影響及人員傷害等意外事故，歲修保養完成統計表與異常說明，如表8所示。

3.3.1 161kV GIS Bus#1 PT及氣封異常外殼更換

F15P3/4 161kV GIS BUS#1 PT氣室SF6從2019/06開始出現微滲(700kPa)，2022/07/06讀值660 kPa，因月滲率約0.97 kPa，如圖10所示。於本次歲修進行PT及氣封外殼更換後，已完全改善SF6絕緣氣體洩漏之異狀。PT及氣封外殼更換工程與SF6氣體充填更換重點如下:

1. 備品PT Move-in持壓，提前搬運至GIS room，氣室3kPa持壓觀察無洩漏。
2. 備品PT Offline試驗：絕緣電阻試驗、電力因數試驗、匝比試驗。
3. Curtain.潔淨區增設：架設Curtain入口潔淨區鐵捲門密封門口圍籬。
4. BUS1 PT氣體回收及降壓：氣室隔板可承受壓差為500kPa、須注意PT儲存壓力為150kPa且不可抽真空。
5. BUS1 PT更換：PT安裝過程使用導引桿輔助對準，確保PT與GIS本體準確連接。
6. 抽真空作業：15hrs (16:00至隔天07:00)，檢測含水率、SF6純度、SO₂含量須符合標準。
7. 氣體充填作業：氣體充填、氣室持壓、送電後氣體量測作業。

F15A已於歲修期間，完成GIS BUS1 PT更換，BUS1 PT鄰近氣室SF6氣體回收說明及更換現場照片，如圖11、圖12所示。

3.3.2 MTR #5 OLTC連動軸異音處理

本次歲修執行主變壓器MTR#5 OLTC保養，進行OLTC檔位切換測試發現連動軸轉折處發出異音，如圖13所示。偕同台電中科超高壓維護課王高專現場檢查，研判為90°轉向斜齒輪培林老化造成，此OLTC建廠至今總切換次數約5,500次，為F15P3/4四座主變壓器中動作次數最多的。

若此元件發生故障，將導致OLTC無法對應台電電壓變化切換檔位，以穩定廠內電壓，為確保廠區供電運轉穩定，已進行備料並規劃M212更換。

建議即將歲修廠區提前檢查OLTC作動狀況是否正常，如發現異常可提前備料，於歲修主變保養當天更換。OLTC無法對應台電電壓變化切換檔位，影響1/4廠區下游供電穩定。避免P3/4全廠區停電風險。

3.3.3 中壓模鑄式變壓器電纜處理頭冷縮披覆層外觀擦傷

10/13進行NM-XTR-503模鑄式變壓器清潔作業時，發現XTR-503二次側T相一條電纜處理頭冷縮披覆層外觀擦傷，與原廠3M技師確認此區域不涉及電應力控制，研判擦傷為建廠時期造成，如圖14所示。

全檢F15A共173顆變壓器電纜處理頭均正常。已於11/16更新電纜處理頭，送電後PD & IR檢測均正常，並於當日恢復正常供電。

3.3.4 低壓模鑄式變壓器絕緣礙子破損

10/14進行N4-XTR-705模鑄式變壓器清潔作業時，發現XTR-705 S相絕緣礙子有0.5公分破損，如圖15所示。可能造成礙子沿面距離不足造成絕緣能力下降，當天緊急以Spare之礙子進行更換完成。

3.3.5 C-GIS高壓盤ES/DS旋鈕訊號異常與CB動作計數器彈簧脫落檢討

NH-500-T/NH-510-T進行DS功能測試發現，ES/DS控權旋鈕訊號異常(Day1安裝錯誤導致無法觸發接點訊號)，DS操作邏輯不成立無法動作，全檢P3/4 CGIS NH TIE ES/DS控權旋鈕，共發現兩處異常NH-500-TIE、NH-510-TIE，如圖16所示。調整ES/DS控權旋鈕開關接觸器安裝位置並動作測試正常。

進行P3-C4S-500-EH-05側發電機CGIS保養，發現CB動作記數器彈簧脫落，如圖17所示。研判為安裝不良，導致CB動作時震動鬆脫，全檢本次小P C-GIS保養範圍皆正常，重新安裝計數器彈簧並進行CB動作測試正常。

3.3.6 南亞盤錫鬚清除實務與分析

A. 錫鬚生成條件

錫鬚(Tin Whisker) 銅排鍍錫會在銅錫介面處產生介金屬化合物(Cu6Sn5)，此化合物使體積膨脹造成錫層的內應力變大，最後在銅排表面無氧化錫的地方擠出錫鬚，如圖18及表9所示。生成條件包含:

• 本質因素:晶粒大小、外部應力、電鍍方式、電鍍時電流密度、鍍錫層厚度
• 環境因素:相對溼度、銅排環境溫度、銅排溫度、負載電流、錫鬚生長位置

B. 錫鬚生長環境影響

F15A針對前10次停電清潔結果，風險錫鬚共74處進行相對溼度分析，各低配電盤之相對濕度分布於 28~50%範圍間，依統計結果發現錫鬚風險跟相對濕度成正比，如表10所示。

• 低風險中，有75%銅排環境RH分佈於30% ~ 35%
• 中風險中，有72% 銅排環境 RH 分佈於 32.5% ~ 42.5%
• 高風險中，有57% 銅排環境 RH 分佈於 37.5% ~ 50%

我們亦參考IEEE文獻指出，溫溼度與錫鬚生長呈正向關係，如圖19所示，因此佐證在F15A調查的數據，與文獻相吻合。

分析前10次高/中風險銅排與環境濕度，P3相對溼度最高，且高濕度佔比最高。相對溼度35%以上佔比：P3: 46% (18/39)、P4: 33% (13/39)、P1: 21% (8/39)，錫鬚風險：P3 > P4 > P1 (P2低壓盤銅排無鍍錫) ，如圖20所示。

分析前10次風險錫鬚共74處分布佔比：高風險54% (40處)、中風險29% (22處)、低風險16% (12處)，錫鬚生成位置集中於銅排相間深處、相間上方，佔總數72% (54/74處)，如圖21所示。

C.銅排鍍錫成分分析

以電子束射至鍍錫樣品，樣品受電子束激發產生X-ray，分析X-ray的光譜可得出樣品的元素及比例，如表11所示。

• P4銅排鍍錫厚度為P3銅排鍍錫厚度的15倍:P3鍍錫層較薄→錫鬚較易穿透鍍錫層→較快生成
• 在錫層中P3比P4分析出較多的銅成分:原因為介金屬化合物(Cu6Sn5)較多→體積較大→內應力較高→P3錫鬚較快生成
• 分析結果錫層未含鉛(Pb)→錫鬚較易生成

D. 錫鬚清除精進手法

錫鬚清除期間持續精進手法，針對「盲點或死角 / 工具品質 / 人員及線路防護」三關鍵：①日益掌握供電中檢查工具的盲點或死角，特別加強清該處清潔; ②要求廠商使用高品質清潔毛刷避免掉毛於盤內不易清除; ③製作移動式2cm厚壓克力防護蓋於人員進入清潔時跨架，避免壓壞CT控制線路、避免人員接觸銅排，防護蓋於錫鬚清除後移出，如圖22所示。

E. 錫鬚清除成果

統計10次錫鬚清除結果，中/高風險錫鬚停電內視鏡檢測新發現共 50 處，含已列管12處共完成風險清除 62 處。新發現中/高風險錫鬚數量共50處，高出已列管20處 約2.5倍，表示運轉仍受到未知高風險威脅，如圖23所示。

F15A所有62 處高中風險錫鬚清除地分布與檢測成果，如圖24所示。

運用內視鏡新發現中/高風險共50迴，當中相間錫鬚最長已達19mm極具風險。新發現錫鬚主要分布位置為 ①相間深處18迴(36%) ②上方ACB相間14迴(28%) ③轉折深處13迴(26%) ④相間上方5迴(10%)，如圖25所示。

F. F15A錫鬚條件分析總結

經過上述研究結果，我們將 F15A錫鬚條件分析總結如表12所示，在本質因素與銅排鍍錫厚度相關，鍍錫層厚度愈薄，錫鬚愈容易穿越鍍錫層；在外部環境因素，可發現在相對濕度愈高，高風險錫鬚佔比愈高。

4.檢討傳承

4.1電力系統無感切換

電力系統負載由雙邊供電切換為單邊扛載，透過程序管控與細緻手法達工廠無感目標，如表13所示。

● 準備工作四面向: 系統操作模擬演練/工具準備/現場走位/工廠縝密規劃。

● 歲修切換兩重點: 控管/切換細緻分工。

4.2現場安全防護

電力主要風險包含“感電”和“誤操作”，防護措施如圖26所示:

● 歲修當天之工具、物料、螺絲造冊管制。

● 所有帶電區域均以警示圍籬圈圍，禁止人員誤闖。

● 保養前確實驗電，確保人員安全。

5.結論

F15P3/4 & AP5為首次依據新版Power APM Ground Rule所制定之標準及範疇執行三年一輪之APM，本次執行F15P3/4 & AP5 25%高壓設備停電保養順利完成，100%符合APM Team規劃，發現二項高壓電力系統需改善，昇壓變壓器環境共通性問題，所發現之3項異常也當場修復完成。

本次APM由2022/7月開始規劃，歷經三個月，跟著主管以及APM Team的指引，慢慢有序地完成各項準備工作，本次經驗相當寶貴，也發現許多仍可改善地方，將引以為鑑讓下次APM能更順利、安全的執行完成。

再次感謝 F15A/B 同仁在切換與保養工項上強力支援，讓此次APM順利完成，畫下完美的句點。