半导体封测设备的能耗表现及优化措施

半导体产业作为现代信息技术产业的核 扮演着举足轻重的角色。半导体封测作为半导体制造流程的关 封装保护，并通过严格测试确保芯片的性能与质量。随着 在封测环节中的应用日益广泛，极大地提升了生产 程中消耗着大量的能源，不仅会增加制造企业的生产成本 、绿色发展的大背景下，深入研究半导体封测自动化设备的能耗表现，并探索有效的 化措施，具有极其重要的现实意义。

1 半导体封测自动化设备概述

半导体封 高效率的协同运作实现芯片规模化 键合系统），将 定基础。在对硅、化形切割技术处 封装的核现数千个托数字、（SLT）能度，可处理 颗芯片的筛 CP 测持续压缩测更强温控 球供应链格局[

2 半导体封测自动化设备的能耗问题

2.1 研发阶段的能耗设计缺陷（1）动力系统匹配不合理

半导体封测自动化设备的整个工艺制程如图 1 所示，其中包封、电镀设备的能耗较大。在设备研发初期，部分设计人员未考虑到负载特性，选用大功率电机或气动元件。对于一些运行负载较小且较为稳定的设备，却配置了高功率的电机，形成“大马拉小车”的动力不匹配现象，电机在运行过程中大部分时间处于轻载状态，致使动力过剩、电能浪费严重。

（2）缺乏能耗仿真与建模工具支持

传统的设备研发模式在很大程度上依赖于工程师的经验设计，缺乏先进的基于数字孪生或多物理场仿真的能耗预测手段。在设计阶段，无法准确模拟设备在不同工况下的能耗情况，难以发现潜在的高耗能结构。例如，在设计设备的传动结构时，未通过仿真分析不同结构参数对能耗的影响，导致设计出的传动结构在实际运行中存在能量损耗过大的问题。而通过能耗仿真与建模工具，能够在设计初期对设备的能耗进行精确预测，提前发现并解决高耗能问题，可有效降低设备整体能耗。

（3）控制系统逻辑粗放

早期的半导体封测设备控制系统逻辑较为简单，控制策略缺乏动态调节机制。设备在运行过程中，无论实际工况如何变化，都按照固定的模式运行，无法根据负载大小、运行速度等实时调整能耗输出。例如，在设备空闲等待期间，电机等动力部件依然保持较高的运行功率，而不是进入低能耗的待机状态。这种粗放的控制系统逻辑导致设备在非满载运行时，能耗居高不下。

2.2 制造阶段的结构与材料问题

（1）结构设计冗余

由于受到加工精度与装配能力的限 分半导体封测设备在结构设计上存在冗余。设备结构过于复杂，质量偏重，这无疑增加了运动部件 设备的机械框架采用了过于厚重的材料，且结构设计不够紧凑合理，使得电机在驱动设备运 克服更大的惯性力，从而消耗更多电能。另外，不合理的结构设计还可能导致设备内部的传动路径过长，也会增加能量在传递过程中的损耗。

（2）材料选择不当

在设备制造过程中，未能广泛采用轻量化、高强度的材料，也是导致设备整体功耗上升的重要原因之一。传统材料往往密度较大，使得设备重量增加，进而增加了运行能耗。例如，在一些设备的外壳和关键部件制造中，如果采用铝合金、碳纤维复合材料等轻量化材料替代传统钢材，不仅可以显著减轻设备重量，还能在保证设备强度和稳定性的前提下，降低能耗。同时，材料的热导率等性能也会影响设备的能耗，若材料选择不当，可能导致设备在散热或加热过程中消耗更多能量。

（3）热控系统效率低下

部分半导体封测设备在高温固化或低温测试等特殊环境中，热控系统设计不合理。例如，在高温固化过程中，加热元件的功率过大且控制精度不足，致使温度波动较大，设备需要频繁启动和停止加热来维持设定温度，这极大地增加了能耗。在低温测试环境中，制冷系统的制冷量与设备实际需求不匹配，或者制冷循环系统存在泄漏等问题，也会导致冷却效率低下，能耗增加。同时，频繁进行加热 / 冷却功能切换，也会增加热控系统的能耗量[2]。

3 半导体封测自动化设备的节能优化设计

3.1 动力系统优化设计

（1）采用高效永磁同步电

永磁同步电机相较于传统异步电机，具有更高的效率和功率因数。其转子采用永磁材料，无需励磁电流，从而减少了无功损耗。搭载永磁同步电机的自动化封测设备在进行半导体产品的封装测试中，其效率曲线平坦，20% 负载时效率仍保持90% 以上，功率因数接近1.0，无功损耗更低，实现良好的节能降耗。

（2）引入伺服节能技术

伺服节能技术通过对电机转 能够做到对设备的按需供能。在设备运行过程中，伺服系统根据实际负载的变化， 高效运行状态。例如，当设备的运动部件在加速或减速过程中 伺服 避免电机在空载或轻载时仍输出较大功率。同时，在设备待机或暂停期间，伺服系统还可以使电机进入低能耗的休眠状态，从而有效避免了能源浪费。

（3）优化气动与真空系统

在半导体封测设备中，气动与真空系统应用得非常广泛。通过使用低泄漏电磁阀，可有效减少压缩空气在传输过程中的泄漏，降低压缩空气的消耗。同时，采用可变频空压机，能够根据实际用气需求实时调整空压机的输出气量，避免空压机在满负荷运行时造成的能源浪费。在真空系统方面，选用高效真空泵，并对真空管路进行优化设计，减少管路阻力，可提高真空系统的效率，降低能耗。

3.2 控制系统智能化升级

（1）开发节能型PLC 控制逻辑

可编程逻辑控制器（PLC）在半导体封测设备控制系统中起着核心作用。开发节能型 PLC 控制逻辑，可使设备在非工作状态自动进入待机或休眠模式，减少不必要的能源消耗。例如，当设备在一段时间内没有新的测试任务时，PLC 控制逻辑可自动关闭部分非关键部件的电源，或者将其调整到低能耗运行状态。同时，通过对设备运行流程的优化，合理安排各部件的工作顺序和时间，避免部件之间的空转和等待，提高设备的整体运行效率。

（2）部署边缘计算与AI 算法

边缘计算与 AI 算法的应用，能够为半导体封测设备的节能优化提供强大支持。通过在设备端部署边缘计算节点，可实时采集设备运行过程中的各种数据，如温度、压力、电流、电压等。利用 AI 算法对这些数据进行深入分析，能够优化设备的动作节拍与能耗分配。通过对设备运行数据的学习和分析，AI 算法可以预测设备在不同工况下的最佳运行参数，并实时调整设备的控制策略，使设备始终处于能耗最低的运行状态。同时，AI 算法还可对设备的故障进行预测和诊断，提前发现潜在的能耗异常问题，及时进行维护和修复。

以某封测厂固晶机改造项目为例，通过采用边缘- 云协同架构（图2）。

同时，搭载边缘硬件：NVIDIA Jetson AGX Orin（32TOPS 算力）；传感器：电流环 ×3 、热电偶 ×6 、振动传感器 ×2 ，并基于 DQN 的加速度曲线优化。对比系统设备运行 72 小时后优化前后的节能效果差异显著，详见表1。

构建一个整合边缘计算与云技术的能耗监控平台，其结构分为设备层、边缘网关和云平台三个层级（如图3 所示）。设备层：在半导体封测自动化设备的各 键 加装电流传感器、电压传感器、功率传感器等多种类型的传感器，实时采集设备各 N 总线与设备层的传感器相连，负责接收传感器采集到的原始能耗数据， 并对数 初步的过滤 聚合等操作提高数据传输效率。云平台：接收来自边缘网关的数据，并进行深入的汇总、分析和处理。 台细局部实时能耗热力图、能效基准分析和故障预警功能[3]。

实际应用中，操作人员可以通过监控 解设备的能耗分布、能耗趋势及故障表现等信息，及时发现异常点，并采取相应的措施进行优化。 能耗突然升高时，可通过监控平台的数据分析功能，快速定位问题原因，如是 故障、 失灵等， 并采取更换故障电机、校准失灵传感器等针对性措施。建立能耗监控平台，有助于企业实现精细化的能耗管理，进一步挖掘节能潜力。

3.3 结构与材料创新

（1）推行轻量化结构设

采用铝合金、碳纤维复合材料等新型轻量化材料，可有效减轻半导体封测设备的重量，降低运动部件的驱动能耗。铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优点， 备结构件制造中应用 。碳纤维复合材料则具有更高的比强度和比模量，能够在保证设备结构强度的前提下，大幅减轻重量。同时，在结构设计过程中，运用拓扑优化等先进设计方法，对设备的结构进行优化，去除冗余部分，可使结构更加紧凑合理，进一步降低能耗。

（2）优化传动与导向系统

使用滚珠丝杠、直线导轨等高效传动元件，可提升半导体封测设备的机械效率，降低能耗。滚珠丝杠具有高精度、高效率、低摩擦等特点，能够将 动高效地转化为直线运动，减少能量在传动过程中的损耗。直线导轨则为设备的运动部件提供了高精度的导向，降低了运动阻力，提高了设备的运行平稳性和效率。此外，对传动系统进行合理的润滑和维护，也能进一步降低摩擦损耗，提高能源利用效率。

（3）应用模块化设计理念

模块化设计理念在半导体封测设备中的应用，不仅便于设备的拆卸维修与功能扩展，还能减少冗余结构带来的无效能耗。将设备按照功能划分为多个独立的模块，每个模块在设计和制造时都充分考虑其通用性和可替换性。在设备运行过程中，如果某一模块出现故障，可快速进行更换，减少设备停机时间。同时，模块化设计避免了因整体结构设计不合理而导致的能量浪费。例如，在设备升级时，可以根据实际需求，只对相关模块进行更换或升级，而无需对整个设备进行大规模改造，从而减少了不必要的能源消耗。

结语

半导体封测自动化设备的能耗问题已成为制约行业可持续发展的重要因素。通过对研发与制造工艺的深入剖析，可以明确造成设备运行高耗能的主要原因，进而有针对性地进行改进、优化，最终可以降低设备能耗，提升能源利用效率，推动企业节省成本和实现绿色可持续发展。

参考文献

[1] 胡方辉.Y 半导体封测企业设备管理研究[D]. 大连理工大学，2023.

[2] 吴卫东.T 公司半导体封测产线改建项目技术方案及其经济评价研究[D]. 江苏大学，2023.

[3] 魏秋雨 . 基于 SECS/GEM 标准的半导体封测设备 RMS 系统设计与实现 [D]. 东南大学 ，2018.