JP2006053106A - 漏れ試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、微小な内部容積の素子であっても、測定時点に依存することなく安定して気密性を評価できる漏れ試験器を提供することを目的とする。
【解決手段】 Ｈｅガスを用いて、試験体のリーク量が要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０以下であるか否かを判定するボンビング法による漏れ試験装置であって、所定圧力ＰｅのＨｅガス中で所定時間ｔ_１ボンビングした該試験体を内部に収納する真空容器と、該真空容器に連結され、試験体から放出されるＨｅのリーク量Ｒを測定し、出力するＨｅリークディテクタと、を備え、該試験体についてボンビング終了時からリーク量Ｒの測定時までの時間ｔを計測し、空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体について予め求めておいたＨｅガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との関係から、時間ｔにおけるＨｅガスの基準リーク量Ｒｒを求め、これを実測値Ｒと比較して合否判定を行う構成としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、漏れ試験装置に係り、特にパッケージIC、水晶振動子、弾性表面波フィルタ等の封止された気密素子の気密性等を判定するために用いる漏れ試験装置に関する。

ＬＳＩ、水晶振動子及び弾性表面波フィルタ等の素子は、通常、パッケージ等の容器に入れられ、内部空間を真空又は乾燥空気若しくはガスで充填して気密に封止される。封止が不完全であると、外気が侵入し素子が劣化するため、通常、素子の封止工程の後には気密性を確認する漏れ試験が行われる。このような気密素子の漏れ試験には、ボンビング法を用いた漏れ試験が用いられ、その試験方法はＪＩＳ規格（JIS Z 2331-1992）やＭＩＬ規格（MIL-STD-883E METHOD 1014.9 SEAL）に定められている。

ＪＩＳ規格に基づく漏れ試験の一般的な方法を図３を参照して説明する。図３は、従来の漏れ試験装置の一例を示す模式図である。
ボンビング容器１２４に多数（Ｎ）個の試験体Ａを入れ、油回転ポンプ１２２により排気後、バルブ１２３を閉じ、ヘリウムボンベ１２０から所定圧力Ｐｅとなるまでヘリウムガスを導入する。バルブ１２１を閉じ所定時間ｔ_１加圧状態で放置する。これによって、試験体に漏れ箇所がある場合には試験体の内部空間にヘリウムガスが侵入する。ボンビング容器１２４のヘリウムガスを排気して、ボンビングを終了する。

多数の試験体のうち、例えば１つを取り出してヘリウムリークディテクタ１００に接続された真空容器１１１に収納する。順方向測定の場合、粗引きバルブ１０８を開け油回転ポンプ１０５により、内部の圧力が約１０Ｐａになるまで粗引きした後、バルブ１０８を閉じフォアバルブ１０３、テストバルブ１０９を開けてターボ分子ポンプ１０２により１０^−２Ｐａ程度まで排気する。この後、質量分析管１０４によりＨｅのリーク量Ｒ（単位Ｐａ・ｍ^３／ｓ）を測定する。

ここで、ヘリウムガスによるボンビングの圧力Ｐｅ及び時間ｔ_１は、表１に示したように、試験体の内部空間容積に応じて定められる。各容積のヘリウムガスのリーク量の実測値Ｒは、合否基準値Ｒｒと比較して、気密性の合否判定が行われる。また、このリーク量の測定は、すべての試験体について、繰り返し行われるが、ボンビング終了から開放時間内ｔ_２以内に行う必要がある。

日本工業規格ヘリウム漏れ試験方法（JIS Z 2331-1992）

上述したように、従来はＪＩＳ規格に従い問題なく漏れ試験が行われてきたが、近年の素子の微小化に伴って内部容積が小さくなると、上記方法では、合否判定の信頼性が低下することが明らかになってきた。

即ち、試験体からのヘリウムガスのリーク量が時間とともに減衰することが問題となってきた。例えば空気の等価基準リーク量１×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓの漏れのある試験体の場合、内部空間容積が０．０５ｃｍ^３では、ボンビング完了直後の測定値に対して１時間後のリーク量は−２％程度であり、ほとんどリーク量は変化しないが、内部空間容積が０．００１ｃｍ^３になると、１時間後のリーク量は−６０％程度にまで減少してしまう。即ち、内部空間容積が小さくなると、加圧侵入したヘリウムガスのリーク量はより短時間で減衰してしまうと考えられ、結果として、本来不良品と判定されるものが、良品と判定されてしまう場合があることが分かった。さらに、このような判定ミスを低減するには、できるだけ開放時間ｔ_２を短くするのが好ましいが、その場合、一回のボンビング容器に収納して加圧できる試験体の数は少なくせざるを得ず、多数の試験体を検査するには、全体としてボンビング回数が大幅に増加したり、あるいは多数のボンビング容器を用意する必要がある。

また、本発明者が種々の漏れ試験方法を検討すべく同じ試験体について繰り返し試験を行う中で、上述した場合とは逆に、良品であっても不良品と判定される場合があった。これはボンビング終了後、比較的短い時間内に測定した場合に多く見られる傾向にあり、その原因を追及するために実験を繰り返し行ったところ、上述したように、リーク量は時間とともに減衰するのに対し、比較する基準リーク値Ｒｒは一定としているため、実際のリーク量が要求される基準リーク値に近い値を有する試験体になると、ボンビング終了直後は基準リーク値よりも大きく開放時間ｔ_２に近くなると基準リーク値より小さくなるためと考えられる。結果として、測定時点により、良品と判定されたり不良品と判定される事態が生じて、判定の信頼性が著しく低下することになる。

このような状況において、本発明者は、以上の知見を基にさらに検討を加え、合否判定が測定時点に依存しない判定方法を確立し、本発明を完成した。即ち、本発明は、より微小な内部容積の素子であっても、気密性の評価を測定時に依存することなく安定して行うことができ、しかも多数の素子をより効率的に合否判定できる漏れ試験装置を提供することを目的とする。

なお、特開２００２−９８６１１には、ボンビング法を用いた漏れ試験装置が提案されているが、これは１回のボンビングに対し１回の漏れ試験を行い、しかも試験体から放出されるヘリウムガスを蓄積した後にリーク量を測定する試験方法を対象とするものであって、本発明が対象とする試験方法とは異なるものである。

本発明の漏れ試験装置は、ヘリウムガスを用いて、内部空間容積Ｖを有する試験体のリーク量が、要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０以下であるか否かを判定するボンビング法による漏れ試験装置であって、所定圧力Ｐｅのヘリウムガス中で所定時間ｔ_１ボンビングした該試験体を内部に収納する真空容器と、該真空容器に連結され、試験体から放出されるヘリウムのリーク量Ｒを測定し、出力するヘリウムリークディテクタと、を備え、該試験体についてボンビング終了時からリーク量Ｒの測定時までの時間ｔを計測し、前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体について予め求めておいたヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との関係から、時間ｔにおけるヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒを定め、これを前記実測値Ｒと比較して合否判定を行うする構成としたことを特徴とする。

ここで、前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体について予め求めたヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との関係は、例えば、（１）式に従うように構成される。

なお、P_０：大気圧、Ｍ_ＡＩＲ：空気の分子量、Ｍ_Ｈｅ：ヘリウムガスの分子量である。

以上の合否判定は、時間ｔにおけるヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと実測リーク量Ｒとを比較して合否判定する構成としたが、時間ｔにおける実測値Ｒ及び（２）式とから、実測値Ｒに相当する空気の等価リーク量Ｌを求め、これとＬ_０とを比較する構成としてもよい。即ち、本発明の他の漏れ試験装置は、ヘリウムガスを用いて、内部空間容積Ｖを有する試験体のリーク量が、要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０以下であるか否かを判定するボンビング法による漏れ試験装置であって、所定圧力Ｐｅのヘリウムガス中で所定時間ｔ_１ボンビングした該試験体を内部に収納する真空容器と、該真空容器に連結され、試験体から放出されるヘリウムのリーク量Ｒを測定し、出力するヘリウムリークディテクタと、を備え、該試験体についてボンビング終了時からヘリウムガスのリーク量Ｒを測定するまでの時間ｔを計測し、該リーク量の実測値Ｒ及び（２）式から求められる空気の等価リーク量Ｌを求め、これを前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０と比較して合否判断する構成としたことを特徴とする。

さらに、ボンビング終了時からの経過時間を計測し、前記試験体のヘリウムガスのリーク量Ｒを測定した時間ｔを出力するタイマと、ヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との前記関係を格納した記憶手段と、前記記憶手段にアクセスして、前記タイマからの出力である測定時の時間ｔにおける前記ヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒを抽出又は演算する演算手段と、該演算手段の出力Ｒｒと前記ヘリウムリークディテクタの出力Ｒとを比較する比較手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の漏れ検出装置は、前記真空容器をヘリウムガス源に接続し、該真空容器内でボンビングを行う構成としてもよく、さらには、排気装置及びヘリウムガス源と連結したボンビング容器をゲートバルブを介して前記真空容器に連結し、該ボンビング容器内に試験体を収納して前記ヘリウムガス源から所定圧のヘリウムガスを導入して所定時間ボンビングした後、内部を排気して、試験体をゲートバルブを介して前記容器に移動させ、ヘリウムのリーク量の測定を行う構成としてもよい。

本発明の漏れ試験装置は、上述したように、試験体からのヘリウムリーク量が時間とともに変化し、これは内部空間が小さくなるにつれてより顕著になるという事実を考慮に入れて、合否判定を行う構成としたことから、測定時点により合否判定が反転する等の判定ミスを解消し、安定した合否判定を行うことが可能となり、特に、微小内部容積の気密素子の漏れ試験に適したものとなる。

さらに、従来法では、内部空間容積が微小化するにつれて、計測する最長時間（開放時間）ｔ_２が短かくなるため、１回のボンビングで処理する素子数は減少することになるが、基準リーク量を時間補正をすることにより、計測時間を延ばすことができ、１回のボンビングでの処理個数の減少を抑えることができる。

即ち、本発明により、内部空間容積が一層微小となっても、多数の気密素子について、リーク量が所定の要求値以下か否かの判定を高精度で安定して、しかも連続で効率よく行うことが可能な漏れ試験器を実現することができる。

以下に本発明について、実施例を挙げてより詳細に説明する。

図１は本発明の漏れ試験装置の一構成例を示す模式図である。本実施例の漏れ試験器は、図に示したように、試験体１１０を収納する真空容器１１１、この真空容器１１１に配管１１２を介して連結され、試験体から放出されるヘリウムガスのリーク量Ｒを測定するヘリウムリークディテクタ１００、及び実測値Ｒと試験体に要求されるヘリウムのリーク基準値Ｒｒの大小を比較する合否判定機構１０により構成される。なお、真空容器１１１及びヘリウムリークディテクタ１００は、図３で示したものと同様のものを用いることができる。

合否判定機構１０は、ボンビング終了時からの経過時間をカウントし、ヘリウムリークディテクタ１００がリーク量Ｒを測定した時の時刻ｔを出力するタイマ１２と、ヘリウムガスによる加圧圧力Ｐｅ及び加圧時間ｔ_１などのボンビング条件及び試験体に要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０等の試験条件を定める設定手段１３と、種々の試験条件に対し、経過時間ｔとヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒとの関係を表すデータを格納した記憶手段１４と、タイマ１２及び設定手段１３の出力値から、記憶手段１４にアクセスして、該出力値に対応したヘリウムの基準リーク量Ｒｒを抽出し及び／又は演算する演算・制御手段１１と、ヘリウムリークディテクタの出力Ｒ及び演算・制御手段の出力Ｒｒの大小を比較する比較手段１６と、比較手段の出力により合否判定結果等を表示する表示手段１７と、からなる。

ここで、記憶手段１４には、例えば、（１）式に示した関係が格納されるが、これに限らず、例えば、種々の空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体を用意し、これらについて漏れ試験を行って、種々のボンビング条件（Ｐｅ、ｔ_１）におけるヘリウムのリーク量の時間変化を実験データとして求めておき、これらのデータを格納するようにしてもよい。

次に、図１の漏れ試験装置を用いて、多数の気密素子について漏れ試験を行う手順を説明する。
ボンビング容器（不図示）に多数（Ｎ）個の試験体を入れ、内部を排気した後、所定圧力Ｐｅのヘリウムガスを導入し、所定時間ｔ_１放置する。所定時間経過後、ボンビング容器を排気する。このとき、同時にタイマ１２をリセットする。なお、試験体は該容器中に保管する。一方、試験体に要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）及びボンビング条件（Ｐｅ、ｔ_１）を設定手段１３から入力し、試験条件を設定する。

多数の試験体から、最初の１つを取り出してヘリウムリークディテクタ１００に接続された真空容器１１１に収納し内部を排気する。順方向測定の場合、内部の圧力が１０^−２Ｐａ程度に達したところで、質量分析管により、ヘリウムガスのリーク量Ｒ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）の測定を開始する。

ヘリウムリークディテクタは、実測値ＲをＡ／Ｄ変換器１５を介して比較手段１６に出力するとともに、測定信号ｍを演算・制御手段１１を送る。演算・制御手段１１ではこの測定信号ｍによってタイマの出力ｔを取り込み、これを測定時刻ｔとしてレジスタ（不図示）に保存する。続いて、演算・制御手段１１は、記憶手段１４を参照して、設定された試験条件（Ｐｅ、ｔ_１、及びＬ_０）及びレジスタに保存された測定時刻ｔに対応するヘリウムの基準リーク量Ｒｒを抽出、演算等して、その結果を比較手段１６に出力する。
比較手段１６では、ヘリウムリークディテクタの出力Ｒと演算・制御手段の出力Ｒｒの大小を比較し、その合否結果等を表示手段１７で表示する。

以上で、第１の試験体に対する試験を終了する。続いて、真空容器を大気に戻して、第１の試験体を取り出し、第２の試験体を収納し、同様にして漏れ試験を行う。以上の操作を繰り返し行い、連続して多数の気密素子を連続して合否判定を行うことができ、しかも、測定時刻に依存しない高精度の合否判定を行うことができる。

次に、一例としてＳＡＷデバイスに関するリーク量の具体例を表２に示し、本実施例と従来例を比較した。
例えば、空気の等価基準リーク量Ｌ_０として、２．１ｘ１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓが要求されるＳＡＷデバイスについて、ヘリウム圧力５．１ｘ１０^５Ｐａ、加圧時間２時間のボンビングを行った場合のヘリウムのリーク量の時間経過を求めた。ここで、試験体として、空気の等価リーク量Ｌが上記要求値Ｌ_０と同じ値を有する試験体Ａと空気のリーク量Lが１．１ｘ１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓである試験体Ｂを用いた。ここで、内部空間容積Ｖは、５ｘ１０^−１０ｍ^３とした。一方、内部空間容積Ｖが大きく（１０^−８ｍ^３）、空気のリーク量を試験体Ｂと同じとした試験体Ｃについても同様にヘリウムのリーク量を求めた。なお、試験体ＢとＣは、リーク量は要求されるリーク値よりも小さいため明らかに合格となるべき試験体である。各試験体のヘリウムリーク量の時間変化を表２に示す。表において、ヘリウムリーク量の単位は、１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓである。

ＪＩＳ規格に基づく判定では、ヘリウムのリーク基準量Ｒｒは５ｘ１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓであるため（表１参照）、内部容積の大きな試験体Ｃはどの時点で測定してもこの値以下となり良品と判定されるが、内部容積の小さな試験体Ｂでは、ボンビング終了後６００〜１８００秒の間で判定が反転することが分かる。即ち、素子の内部空間容積が小さくなると、合否判定の信頼性は大きく低減してしまうことになる。
一方、本実施例の試験装置を用いると、基準値も同様に測定時間で補正されるため、試験体Ｂは試験体Ａのリーク値を基準として判定される。従って、どの時点で測定しても、試験体Ｂの値は基準値以下となるため良品と判断されることになる。

なお、加圧圧力及び時間等のボンビング条件を変更しても同様な結果が得られることから、試験条件の自由度が大幅に向上し、気密素子の構造、種類に応じてより高度の判定を行うことが可能となる。
また、本実施例では、測定法として順方向測定を用いたが、逆拡散測定を用いてもよい。さらに、本実施例では、試験体を１個ずつ測定する構成としたが、真空容器に複数個（例えば、３０個等）の試験体を収納し、多数の試験体を同時に行う構成としてもよい。また、操作手順を制御手段に組み込んでおき、自動的に連続判定するようにしてもよい。

さらに、本実施例では、時間ｔにおけるヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと実測リーク量Ｒとを比較して合否判定する構成としたが、時間ｔにおける実測値から、逆にこれに相当する空気の等価リーク量Ｌを求め、これと等価基準リーク量Ｌ_０とを比較する構成としてもよい。

実施例１の漏れ試験装置は、ボンビングとリークの測定及び合否判定とは分離して行われるため何らかの手作業が必要となるが、全自動化可能な構成としたのが本実施例の漏れ試験装置である。
本実施例の漏れ試験装置を図３の模式図に示す。本実施例の漏れ試験装置はボンビング容器１２４と真空容器１１１とをゲートバルブを介して連結し、ボンビング容器と真空容器間で試験体を移送する手段を（不図示）を設けた以外は、実施例１と同じである。

即ち、多数の試験体をボンビング容器１２４に入れ、ヘリウムガスにより所定時間加圧する。内部を排気した後、大気圧に戻し、続いてゲートバルブ１２５を開け、移送手段により試験体を真空容器１１１に移送させる。この後は、実施例１と同様にしてリーク量を測定し、合否判定を行う。試験終了後、真空容器を大気圧に戻しゲートバルブを開けて、移送手段（不図示）により試験体を外部に取り出す。同時に第２の試験体をボンビング容器から真空容器に移送する。すべての試験体について、以上の操作が繰り返し行われる。
このようなシーケンスを制御手段に予め組み込んでおき漏れ試験装置を制御することにより、多数の試験体をボンビング容器に入れた後、試験が終了するまでを全て自動で行うことが可能となる。

本発明の漏れ試験装置の一例を示す模式図である。 本発明の漏れ試験装置の他の例を示す模式図である。 従来の漏れ試験装置を示す模式図である。

符号の説明

１０ 合否判定機構、
１１ 演算・制御手段、
１２ タイマ、
１４ 記憶手段、
１３ 試験条件設定手段、
１６ 比較手段、
１７ 表示手段、
１５ Ａ／Ｄ変換器、
１００ ヘリウムリークディテクタ、
１０２ ターボ分子ポンプ、
１０３、１０８、１０９、１２１、１２３ バルブ、
１０４ 質量分析管、
１０５、１２２ 油回転真空ポンプ、
１０６、１０７ 圧力計、
１１０ 試験体、
１１１ 真空容器、
１１２ 配管、
１２０ Ｈｅボンベ、
１２４ ボンビング容器、
１２５ ゲートバルブ。

Claims (5)

1. ヘリウムガスを用いて、内部空間容積Ｖを有する試験体のリーク量が、要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０以下であるか否かを判定するボンビング法による漏れ試験装置であって、所定圧力Ｐｅのヘリウムガス中で所定時間ｔ_１ボンビングした該試験体を内部に収納する真空容器と、該真空容器に連結され、試験体から放出されるヘリウムのリーク量Ｒを測定し、出力するヘリウムリークディテクタと、を備え、該試験体についてボンビング終了時からリーク量Ｒの測定時までの時間ｔを計測し、前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体について予め求めておいたヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との関係から、時間ｔにおけるヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒを定め、これを前記実測値Ｒと比較して合否判定を行う構成としたことを特徴とする漏れ試験装置。
2. 前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０を有する標準試験体について予め求めたヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との関係は、（１）式に従うことを特徴とする請求項１に記載の漏れ検出装置。
   

   

   
   
   ここで、Ｐ_０：大気圧、Ｍ_ＡＩＲ：空気の分子量、Ｍ_Ｈｅ：ヘリウムガスの分子量である。
3. ボンビング終了時からの経過時間を計測し、前記試験体のヘリウムガスのリーク量Ｒを測定した時間ｔを出力するタイマと、ヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒと経過時間との前記関係を格納した記憶手段と、該記憶手段にアクセスして、前記タイマからの出力である測定時の時間ｔにおける前記ヘリウムガスの基準リーク量Ｒｒを抽出又は演算する演算手段と、該演算手段の出力Ｒｒと前記ヘリウムリークディテクタの出力Ｒとを比較する比較手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の漏れ試験装置。
4. ヘリウムガスを用いて、内部空間容積Ｖを有する試験体のリーク量が、要求される空気の等価基準リーク量Ｌ_０以下であるか否かを判定するボンビング法による漏れ試験装置であって、所定圧力Ｐｅのヘリウムガス中で所定時間ｔ_１ボンビングした該試験体を内部に収納する真空容器と、該真空容器に連結され、試験体から放出されるヘリウムのリーク量Ｒを測定し、出力するヘリウムリークディテクタと、を備え、該試験体についてボンビング終了時からリーク量Ｒの測定時までの時間ｔを計測し、該リーク量の実測値Ｒ及び（２）式から時間ｔにおける空気の等価リーク量Ｌを求め、これを前記空気の等価基準リーク量Ｌ_０と比較して合否判断する構成としたことを特徴とする漏れ試験装置。
   

   

   
   
   ここで、Ｐ_０：大気圧、Ｍ_ＡＩＲ：空気の分子量、Ｍ_Ｈｅ：ヘリウムガスの分子量である。
5. 排気装置及びヘリウムガス源と連結したボンビング容器をゲートバルブを介して前記真空容器に連結し、該ボンビング容器内に試験体を収納して前記ヘリウムガス源から所定圧のヘリウムガスを導入して所定時間ボンビングした後、内部を排気して試験体をゲートバルブを介して前記容器に移動させ、ヘリウムのリーク量の測定を行う構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の漏れ試験装置。
   

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