CN105606320B - 检测气体管道泄露的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种检测气体管道泄露的系统和方法，公开了一种泄露检测系统和用于检测包括通过管道连接到气体传输模块的气体源的气体提供系统的泄露的泄露检测方法。泄露检测系统包括可沿着远离自气体传输模块入口的管道连接的气流计；检测模块被配置为接收表示从气流计检测到的流量的信号，将检测到的流量与保存的无泄漏参考值进行比较以检测在泄露中的流量增加。检测模块和气体传输模块之间的流动阻力将泄露时的流量增加。系统包括可连接在气体源和气流计之间的流量提升系统用于暂时增加管道中的流量。

Description

检测气体管道泄露的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于检测气体管道泄露的装置和方法。特别地，虽然不是专门的，应用于检测在线焊(wire bonding)系统中使用的那种类型的惰性气体提供的气体泄露。
背景技术
线焊是一种将半导体设备及其封装互连，或将一个设备连接到另一个设备的常用技术。例如，在一种称作球焊的线焊类型中，导线被穿过线焊工具的毛细管，电荷被施加到所述导线的尖端(例如，使用电打火设备)将其熔化并形成球形熔态金属。
当由反应材料如铜或铝形成的焊线被用于线焊时，在所述熔化的材料与大气中的氧气反应时会有熔球氧化的趋势。熔球的氧化降低了后续形成的球焊的质量。因此，通常需要提供保护气体包括相对惰性气体例如氮气或氩气以在球形成过程中封闭所述电线并阻止与氧气接触。所述保护气体通常经由具有与所述毛细管相邻的出口的保护气体装置提供，例如，经由US专利号7,628,307中显示的围绕在所述毛细管尖端周围的狭槽或套管，该专利的内容通过参考合并如同完全在此陈述。
保证保护气体的供应稳定是重要的，这样所述球焊被持续形成并且表面未被氧化。如果供给所述保护气体装置(或由所述线焊装置使用的其他气体装置)的所述气体提供系统的管道存在泄露，将显著影响气体供给的稳定性。
流量传感器只能测量入口的流量。相应地，为了能够可靠的测量管道中的泄露，需要两个传感器：一个在入口端，一个在出口端。检测到的入口和出口传感器之间的流量差异预示着泄露。在所述线焊系统的气体提供系统的出口端放置传感器的问题是这样的传感器不仅增加了成本，还增加了系统的重量，而这在某些应用中是不允许的。另外，许多流量传感器具有低的分辨率，并不能感知到小的流量的不同，但是这却可能对球形成具有影响。
仍然需要一种能够可靠检测线焊的保护气体提供系统中的泄露的系统和方法。
发明内容
本发明的特定实施例涉及检测包括通过管道连接到气体传输模块的气体源的气体提供系统中的泄露的泄露检测系统，所述泄露检测系统包括：
可沿着远离自所述气体传输模块的入口的所述管道连接的气流计；和
检测模块被配置为接收表示从所述气流计检测到的流量的信号，将所述检测到的流量与保存的无泄漏参考值进行比较以检测在泄露中的流量增加；
其中所述检测模块和所述气体传输模块之间的流动阻力将泄露中的流量增加放大。
所述流动阻力可包括所述气体传输模块的固有流动阻力。可替换地，或另外，所述流动阻力可包括气流阻器元件(例如具有压缩部)，所述气流阻器可连接在所述气流计和所述气体传输模块的入口之间。
在特定的实施例中，可在所述气体源和所述气流计之间连接流量提升系统用于暂时增加管道中的流量。
本发明的其他实施例涉及用于线焊过程的气体提供系统，包括：
气体源；
气体传输模块；和
如上文描述的泄露检测系统，所述泄露检测系统连接在所述气体源和所述气体传输模块之间。
本发明的进一步实施例涉及检测连接在气体源和气体传输模块之间的管道泄露的方法，所述方法包括步骤：
沿着远离自所述气体传输模块的入口的所述管道连接流量传感器；
用所述流量传感器检测沿着所述管道的的流量；
将所述流量与保存的无泄漏阈值进行比较；
如果所述流量高于所述无泄漏参考值预定级别，确定所述管道中存在泄露。
所述预定级别可以是高于所述无泄漏参考值的10％。
所述方法可进一步包括引入或增加所述管道中的流动阻力。
在特定实施例中，所述方法可进一步包括暂时增加来自所述气体源的流量。
所述方法可进一步包括确定所述无泄漏参考值。
附图说明
本发明的实施例将被描述，仅以非限制性例子的方式，参考以下附图：
图1是根据本发明实施例的包括泄露检测系统的保护气体提供系统的框图；
图2是根据替换的实施例的包括泄露检测系统的保护气体提供系统的框图；
图3是可以用在图1和图2的系统中的气流阻器的例子；
图4是为泄露检测流程确定参考流量的过程流程图；
图5是泄露检测流程的流程图。
具体实施例
下面对特定实施例的讨论涉及应用本发明检测线焊过程中保护气体提供的泄露。然而，应该理解，本发明也可以应用于其他需要稳定气流的情况。
参见图1，显示了用于连接到线焊工具(未示出)的气体提供系统10的实施例。系统10包括具有连接到压力调节器12的气体容器11的惰性气体源。如果从所述压力调节器12的下游管道泄露，加载的流量将倾向于增加。相应地，所述压力调节器12将响应于加载的流量变化通过向上调整调节器流量以维持需要的压力。
气体源11、12提供气体到出口被连接到所述线焊工具的气体传输模块14的入口。在气体源11、12和气体传输模块14之间串联的是一个用虚线框显示的泄露检测装置100。在下面描述的实施例中，所述气体提供系统10是一个经由保护气体传输工具14提供惰性气体到线焊的保护气体提供系统。然而，将被理解本发明适用于其他具有气体装置而不只是保护气体传输工具的气体提供系统。
泄露检测系统100包括流量传感器113与气体流量控制系统120串联。由流量传感器113测量的流量被检测模块110接收，一般被配置为检测流量之间的变化，预期假设为不存在泄露。泄露检测系统100可优选地被用于先于开始线焊过程而执行泄露检测测试，以保证气体源11、12和保护气体传输模块14之间的管道是不泄露的，然后这样无泄漏管道被使用在线焊过程中。
气流计113可以是数字气流计，如Azbil Corporation(日本)的质量流量控制器MPC-0002B，其操作在完全打开(读出)模式从而作为流量传感器而不是同样的流量控制器。
在一个实施例中，检测模块110包括流量信号生成器115、存储模块116、处理器117和泄露确定模块118。流量信号生成器115接收由流量传感器113测量的流量值并生成数字信号传输到处理器117。处理器117可以是通用计算机系统的一部分如基于32比特或64比特英特尔架构的计算机系统。替换地，在某些实施例中，处理器117可以由用于比较来自于信号生成器115的信号和来自于存储器116的信号(代表参考流量)的简单的比较器电路取代。泄露确定模块118可以是保存在通用目的计算机系统的非易失性(如硬盘)存储器116上的软件模块。替换地，泄露确定模块118可以是专用硬件组件，如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。检测模块110可在泄露确定模块118检测到泄露时触发报警信号119。报警信号119可被用于经由例如计算机系统显示或发出物理警报给操作者。
如前面提到的，在压力调节器12下游的管道泄露将倾向于增加流量因为调节器12需要维持用户定义的管道压力。如果所述气体传输模块14具有大的固有流动阻力，这将会加重在管道的泄露点惰性气体的流出，这样增加了背离期望的(无泄露)流量可被泄露检测系统100检测到的可能性。然而，优选的，额外的流动阻力可以被加在流量传感器113和气体传输模块14的入口之间。这对具有低的固有流动阻力的保护气体传输模块尤其有利。该额外的流动阻力将进一步放大任何由于泄露造成的流量变化。例如，如果流量控制系统120具有固有流动阻力，这将提供额外的流动阻力。替换地，或者除此之外，单独的气流阻器可被串联加在所述流量控制系统120和保护气体传输模块14的入口之间，以进一步增加管道中的流动阻力及由于任何泄露导致的流量变化。流动阻力的增加以及随之而来的流量变化的放大有利地使得相对小的泄露甚至可以被低分辨率的气流计113检测到。
一种典型的线焊过程，正在运行的流量通常非常低的。这样，即使具有大流动阻力(例如，来自保护气体传输模块14和/或气体流量控制系统120)，由于泄露导致的流量变化可能小于或等于流量传感器113的分辨率。相应地，图2中显示的保护气体供应系统10’的一个可替换的实施例中，有利的是在泄露测试过程中暂时人为的增加流量，测试结束后再将其减小到正在运行的流量，然后线焊将开始。在图2中，压力调节器12和流量传感器113之间插入了了泄露检测系统200的主动流量提升系统121。当泄露检测过程开始后，主动流量提升统121将来自调节器12的初始流量提升到高水平。如图1中的实施例那样，所述初始流量将被保护气体传输模块14的固有流动阻力抑制。这样，如果在流量传感器113和保护气体传输模块14之间发生泄露，其将倾向于增加所述流量，但是在图2的系统中，从泄露点跑出的气体将比图1中的多，导致更大的因此更容易被检测出的流量增加。这样，流量的增加将更可能由低分辨率流量传感器113区分。
图3显示了穿过示例的适于连接在气体流量控制系统120和保护气体传输模块14之间的管道中的气流阻器(flow resistor)300的截面。所述气流阻器(flow resistor)300包括在一端具有入口310另一端具有出口320的通道330。与出口320相邻的是压缩部340。所述通道330直径大约1毫米(mm)，压缩部340直径大约0.3毫米，长度大约0.5毫米。然而，可以使用任何适于提供能够有效的提供可检测到的流量增加的流动阻力的尺寸。
转到图4，显示了为泄露检测过程确定参考流量值的过程400的流程图。过程400可以由图1中的系统10或图2中的系统10’执行。方框410，所述气流计113被完全打开，具有用户定义的压力值(设置使用压力调节器12)的气体由气体源11、12经过泄露检测系统100或200流向保护气体传输模块14。从流量传感器113测量到的流量Q0被传输到检测模块110。检测模块110生成流量信号115，处理器或比较器117将Q0与保存的值Qset进行比较。Qset是在保证没有泄露的实验室情况下独立测量的参考值。使用系统10测试的Q0理论上应该非常接近Qset，但是过程400允许某些变化。特别地，如果Q0小于2倍Qset(方框430)，过程400认为Q0是准确的，并保存Q0作为参考流量值(方框450)。如果Q0大于2倍Qset，过程400认为(方框440)管道中存在泄露。在这种情况下，管道应该被维修，过程400重复直到获得有效值Q0<2*Qset。
图5显示示例的由泄露确定模块118执行的泄露检测过程500，使用在参考值确定过程400中获得的值Q0。过程500中，气流计113被全部打开，具有用户定义压力值(例如可以是后续线焊过程的运行压力)的气体由气体源11、12经过泄露检测系统100或200流到保护气体传输模块14。流量传感器113测量流量Q1(方框510)，并将其传输到检测模块110。检测模块110生成流量信号115，处理器或比较器117将Q1与先前保存的参考值Q0进行比较(方框520)。如果检测到流量增加超过10％(Q1>1.1Q0)(方框530)，这表示存在泄露并触发报警(方框540)。否则，过程500向线焊工具的控制系统发送信号告知不存在泄露，然后线焊过程可以开始(方框550)。
例子
系统10或10’的泄露检测能力使用一系列的测试来确定，其中调节器12分别被设置为0.1MPa,0.2MPa and 0.3MPa，气流阻器300被连接在流量控制系统120和保护气体传输模块14之间。气流计113完全打开，流量控制系统120设置的流量为5L/minute。管子的三种不同部分被用于测试：一种没有泄露，一种只有小的泄露(经由管壁上的小洞)，一种有大的泄露(经由管壁上的大洞)。没有泄露和小的泄露的情况下气流计113测量到的流量显示在表1中。
表1泄露存在时流量的增加
可以从表中看出，在所有压力情况下，管道中的流动阻力导致大的增加(大于18％)，这意味着小的泄露很容易被检测到。正如期望的那样，大的泄露的情况下流量增加(结果未被显示)更加引人注意，大的泄露也容易被检测到。
优选地，根据上面的实施例，流量传感器113和保护气体传输模块之间的泄露可以被快速准确的检测到。利用额外的气流阻器，使用一个可位于远离气体传输模块的传感器就可以检测到泄露，还可以检测传感器位置之后的泄露。仅仅用传统的流量传感器是不可能的，因为他们不能测量所述传感器位置下游的流量。在特定的实施例中，如上所述，有效的流量提高系统可被加入以便为了测试目的而暂时增加流量，这样允许准确的泄露测试即便所述流量传感器113的分辨率很低。
虽然本发明特定的实施例被详细描述，在本发明范围内的修改和变化是可能的，并且对于本领域技术人员是清楚的。

Claims (8)

1.一种用于检测气体提供系统中的泄露的泄露检测系统，所述气体提供系统包括通过管道连接到气体传输模块的气体源，所述泄露检测系统包括：
气流计，其可连接于沿着远离所述气体传输模块的入口的管道；和
检测模块被配置为接收表示从所述气流计检测到的流量的信号，将所述检测到的流量与保存的无泄漏参考值进行比较以检测在泄露中的流量增加；
其中所述检测模块和所述气体传输模块之间的流动阻力将泄露中的流量增加放大；
其中所述流动阻力包括气流阻器元件，所述气流阻器可连接在所述气流计和所述气体传输模块的入口之间。
2.权利要求1所述泄露检测系统，其中所述流动阻力包括所述气体传输模块的固有流动阻力。
3.权利要求1所述的泄露检测系统，包括可连接在所述气体源和所述气流计之间的流量提升系统，用于暂时增加所述管道中的流量。
4.一种用于线焊过程的气体供应系统，包括：
气体源；
气体传输模块；和
根据权利要求1所述的泄露检测系统，所述泄露检测系统连接在所述气体源和所述气体传输模块之间。
5.一种检测连接在气体源和气体传输模块之间的管道泄露的方法，所述方法包括步骤：
流量传感器连接于沿着远离所述气体传输模块的入口的管道；
用所述流量传感器检测沿着所述管道的的流量；
将所述流量与保存的无泄漏阈值进行比较；
引入或增加所述管道中的流动阻力；
如果所述流量高于所述无泄漏参考值预定级别，确定所述管道中存在泄露。
6.权利要求5所述的方法，其中所述预定级别为高于所述无泄漏参考值的10%。
7.权利要求5所述的方法，进一步包括暂时增加来自所述气体源的流量。
8.权利要求5所述的方法，进一步包括确定无泄漏参考值。
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