KR940004655B1 - 작은 부품용 헬륨 누출검출기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

작은 부품용 헬륨 누출검출기

본 도는 본 발명의 작은 부품용 헬륨 누출 검출기를 보여주는 개략적인 블록선도(block diagram).

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 작은 부품용 헬륨 누출 검출기 12 : 시험부품

14 : 진공챔버(Vaccum chamber) 16 : 저온펌프

18 : 헬륨 압축기(helium compressor) 20 : 질량검출기

22 : 터어보(turbo) 또는 확산 펌프 24 : 기계펌프

V1, V2, V3, V4 및 V5 : 밸브(valve)

본 발명은 누출 검출기(leak detector) 및 시험대상, 특히 전자회로 부품과 같은 부품용 검출을 위한 방법에 관한 것이다.

작은 전자부품의 신뢰도는 그 부품이 반응성 가스 및 수증기로 부터 얼마나 잘 밀폐적으로 밀봉되었는가에 크게 의존한다. 헤어메틱 시일(hermetic seal)의 적당함을 측정하기 위한 시험은 중요한 것이다.

현재로는, 작은 전자부품에서의 누출속도(leak rate)를 측정하기 위한 몇가지의 방법들이 존재한다. 그 몇가지의 방법들에 있어서 전자 부품들은 가스에 노출시키거나 또는 가스로 충격을 가할 필요가 있다. 그 가스는 대개 헬륨이거나 또는 어떤 경우에는 아르곤 또는 크립톤이다. 특정시간 및 압력으로 전자부품을 가스에 노출시킨후, 그 부품을 제거하고 누출시험을 행한다. 허어메틱 시일에서의 파손부 또는 결손부는 가스가 부품속으로 침투되고, 허어메틱 시일에서의 파손부 또는 결손부의 밖으로 흐를때 "누출"로서 검출되어진 가스에 의해 나타내어진다. 대다수의 시험들이 총(gross) 또는 큰 누출(large leak)이거나 또는 미세 또는 미소 누출시험을 위해 설계된다. "버블(bubble)" 시험은 총 누출시험으로 자주 사용되어 왔다. 버블시험에 있어서, 가스에 노출되어진 후의 장치를 적당한 액체내에 가라앉히고 누출이라고 알려주는 버블의 형성을 육안으로 검사한다. 이것은 Myers의 미국특허 3,646,804호 및 Farrel의 미국특허 3,738,158호에 기술되어 있다. 그 버블시험은 정량 분석결과가 불충분하고 미소 누출을 검출하는데 신뢰도가 없다는 명백한 단점을 갖고 있다.

다른 총 누출 시험법들이 또한 사용되어왔다. 그중의 한가지 방법은 작은 전자부품을 가스에 노출시키고 무게 부가(weight gain)를 측정하는 것으로 구성된다. 또다른 방법은 탄화수소 가스에 부품을 노출시키고 또 다른 가스로서 부품을 가압하는 동안에 방출된 탄화수소 증기를 측정하는 것으로 구성된다.

끝으로, 전자부품들에서의 누출시험은 질량 분석계를 이용하였다. 그중의 한가지 장치가 Altshuler의 미국특허 3,578,758호에 설명되어 있다. 작은 전자부품을 시험하는 미세 누출용으로 헬륨 누출 검출기가 사용되어왔지만, 그 사용에는 헬륨 누출 검출기가 큰 누출을 검출하는데 있어서 전체적으로 부적당하다는 단점이 있다. 큰 누출을 갖는 성분이 헬륨 누출 검출기에서 다루어진다면, 헬륨은 검출을 측저하기도전에 벌써 진공장치에 의해서 성분의 밖으로 다 배출되어 버린다. 어쨌든, 이러한 헬륨 누출 검출기는 큰 누출의 외견상 크기를 감소시킨다. 일반적으로, 현행의 작은 전자부품용 헬륨 누출 검출기는 불충분한 동적 감도범위(sensitivity dynamic range)를 갖는다.

전자부품의 누출을 검출해 내기위해 이용되어온 또다른 시험법은 방사성 크립톤을 이용하는 것이다. 이 시험에 있어서, 방사상 크립톤에 부품을 노출시킨 다음 어떠한 방사성 방사물이 검출되면 측정을 완료한다.

초 감수성 누출 검출기(예를 들어 Bergquist의 미국특허 4,492,110호)에 이용되어온 게터 펌프(Getter pump)는 그 게터가 작은 부품들을 검출하는 헬륨 누출에 이용되어야만 하는 비교적 큰 용량의 퍼어즈 운반가스(purge carrier gas)를 빨리 취급할 수 없기 때문에 작은 부품용 누출 검출기로는 이용되지 않았다.

저온펌프는 진공을 만들기 위해 벌써부터 이용되어왔다. 그러나, 저온펌프는 누출 검출 시스템을 위한 막펌프(roughing pump)로는 이용되지 않고 있다. 전형적인 저온펌프의 한가지 결점은 작은 부품을 검출하는 누출에서 사용된 비교적 큰 용량의 퍼어즈 운반가스를 취급할 수 없다는 것이다. 비교적 큰 용량의 가스를 흡착하는 것은 저온펌프의 가온에 의해서 퍼어스 운반가스가 탈착되게하는 결과를 가져온다. 차례로 그것은 질량 분석계에 대하여 수용할 수 없는 수준으로 까지 압력을 상승시킨다. 다음으로, 저온펌프는 헬륨을 흡착해 버리고 잠시후에 질량 분석계에 의한 헬륨 검출 효능을 파괴하는 헬륨의 탈착을 가져온다.

본 발명은 누출 시험에서 다루어지게 되는 시험대상을 수용하기 위한 진공챔버를 포함하고 있는 누출 검출기에 관한 것이다. 질량분석계와 같은 검출기는 진공챔버에 접속된다. 또한 그 진공챔버에 변형된 저온펌프가 접속된다. 본 발명의 한가지 특징은 변형된 저온펌프가 질소와 같은 퍼어즈 운반가스는 갇히게(entrapping)할 수 있으나, 헬륨과 같은 검출가스는 갇히게 할 수 없다는 것이다. 통상적인 저온펌프가 헬륨과 같은 검출가스를 갇히게 하지않으면서 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하기 위한 본 발명의 목적을 위해서 변형된다.

본 발명의 또 다른 특징은 내부 진공 시스템이 전기적 공급부에서 질량검출기 까지를 제외하곤 완전히 금속으로 만들어진다는 것이다. 모든 내부통로 및 접속수단은 금속으로 만들어진다. 바람직하게, 접속수단은 접합금속 표면과 금속 가스켓(gasket)으로 만들어진 플랜지(flange)이다.

본 발명에 이용된 변형 저온펌프는 일반적으로 약 16。K 내지 약 22。K의 온도, 바람직하게는 약 18。K 내지 약 20

K의 온도에서 유지된다. (i) 상기의 온도로 저온펌프가 유지되도록 히터(heater)를 부가하고, (ii) 냉각표면에 납을 첨가하고, (iii) 헬륨과 같은 검출가스를 흡착하려하는 목탄과 같은 어떠한 물질을 제거하여 통상적인 저온펌프를 본 발명의 용도로 변형한다.

또한 본 발명은 작은 전자부품과 같은 대상에서의 누출을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 전술한 장치들을 이용하여 전자부품을 도입하기 이전에 진공챔버를 씻기 위해서 질소와 같은 퍼어즈 운반가스를 사용한다. 퍼어즈 운반가스는 그것이 시험대상에 의해서 운반된다는 것을 제외하곤 챔버내에서 헬륨과 같은 어떠한 검출가스가 존재하는 것을 배제하기 위하여 필요하다. 그리고 변형된 저온펌프는 저온펌프내로 퍼어즈 운반가스를 배기시키도록 이용된다. 시험대상으로부터 누출되는 어떠한 헬륨은 저온펌프내에서 기체상태로 유지되어 있다. 질량 분석계와 같은 질량 검출기는 시험대상으로부터 누출되었고 저온펌프에서 기체상태로 유지되어있으므로 어떠한 누출이 존재한다고 알려주는 헬륨의 양을 검출하는데 이용된다.

본 발명의 상기한 특징들은 첨부한 도면과 관련하여 더욱 자세히 설명된다.

본 도에 도시된대로, 작은 부품용 헬륨 누출 검출기(10)는 시험부품(12)에서의 누출을 검출하기위해 제공된다. 시험부품(12)는 진공챔버(14)에 위치하게 된다. 진공챔버(14)로의 접근은 밸브(V1)를 통해서 달성된다.

진공챔버(14)의 크기는 다양하다. 대표적으로, 진공챔버는 약 10cc 내지 약 300cc의 용량을 갖는다. 바람직한 크기는 약 80cc 내지 약 150cc이다.

저온펌프(16)은 중간 접속통로를 통하여 진공챔버(14)와 기체 상태의 전달이 이루어진다. 시험챔버(14)와 저온펌프 사이의 증기흐름은 밸브(V3)에 의해 조절된다. 본 발명의 저온펌프(16)는 헬륨과 같은 검출가스는 갇히게 하지않으면서 질소와 같은 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하도록 설계되어진 변형된 저온펌프이다. 통상적인 저온펌프는 약 16

K 내지 약 22

K, 바람직하게는 약 18

K 내지 약 20

K의 온도로 저온펌프를 유지시키기위하여 히터를 부가시켜 변형된다. 통상적인 저온펌프는 헬륨을 갇히게하도록 설계된 목탄을 갖고 있다. 본 발명에 따라서, 목탄은 헬륨과 같은 검출가스가 갇히지 않도록 저온펌프로부터 제거된다. 통상적인 저온펌프는 냉각핀 또는 제트에 납을 부가하기위하여 더욱더 변형된다. 그것은 그들 표면에 열적 질량(thermal mass)을 부가한다. 납은 낮은 온도에서 구리보다도 높은 비열을 갖고있으므로 시스템을 가열하거나 또는 질량 검출기에 대한 압력을 상승시키지 않고도 질소 퍼어즈 운반가스의 열을 빨리 흡착하도록 기여한다. 본 발명의 변형된 저온펌프는 1초 이내의 소수 동요를 제외하곤 매우 안정한 온도를 유지하면서, 대기압에서 80cc와 같은 용량의 퍼어즈 운반가스를 쉽게 흡착할 수 있다.

상술한대로, 본 발명의 한가지 특색은 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하면서 헬륨은 갇히게 하지않는 저온펌프를 이용하는 것이다. 만일 헬륨을 흡착하려는 목탄만이 다른 상태의 통상적인 저온펌프로부터 제거되고 저온펌프가 그것의 전형적인 작동온도, 즉 10

K에서 작동된다면, 헬륨은 저온펌프중의 차가운 질소에 달라 붙을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 변형은 약 16

K 내지 약 22

K의 온도에서, 바람직하게는 약 18

K 내지 약 20

K의 온도에서 저온펌프가 유지되도록 구성되었다. 약 22

K 이상의 온도에서는, 저온펌프가 질소를 탈착시킬 우려가 있다. 16

K 이하의 온도에서는, 저온펌프가 차가운 질소중에 헬륨이 걸리게 할 우려가 있다.

저온펌프(16)을 차가운 질소로 채울때, 저온펌프는 보통 및 규정의 과정에 따라서 회복될 수 있다.

질량 검출기(20)는 밸브(V4)를 통해서 저온펌프 및 진공챔버(14)에 접속되어있다. 그 질량검출기(20)은 자기 섹터(magnetic sector) 분석기 또는 사중극 질량(quadrupole mass)분석기이며, 그중에서 뒤의 것이 바람직하다.

누출 검출기 시스템(10)은 기계펌프(24)에 의해 지지된 터어버 펌프 또는 확산펌프(22)에 의해 배출된다.

그 터어보펌프(22) 및 기계펌프(24)는, 본 도에 도시된대로, 질량검출기(20)과 증기로 연결된 중간접속 통로를 통하여, 시스템에 서로 연결된다. 그들 통로는 밸브(V5)에 의해 조절된다. 터어보펌프는 액체질소를 필요로하지 않으므로 확산펌프 이상으로 바람직하다. 터어보펌프(22)의 근본적 기능은 헬륨이 노출되어서 질량검출기(20)에 의해 검출된 후 시스템으로부터 배기시키는 것이다.

본 도에 제시한 장치들의 작동 및 본 발명의 방법을 이제 기술하여 보기로 한다. 누출을 검출하게 되는 작은 부품은 헬륨과 같은 검출가스에 노출되거나 쪼여진다. 대표적으로, 그 부분은 약 30psi 내지 약 60psi의 압력에서 헬륨에 다루어진다. 그 취지는 허어메틱 시일에서 어떠한 파손부로 얻어지고 시험하는동안 누출되어지는 어떠한 헬륨을 검출하려는 것이다.

처음에, 진공챔버로 안내하는 밸브(V1) 및 (V3)는 닫혀있고 밸브(V2)는 열려있다. 질소와 같은 운반퍼어즈 가스는 밸브(V2)를 통해서 진공챔버(14)로 들어간다. 그 퍼어즈 운반가스는 대기압 또는 그보다 약간 높은 압력에서 도입된다. 밸브(V2)를 통하여 퍼어즈 운반가스를 도입하면서, 누출을 시험하게되는 부품들은 대표적으로 게이트 밸브(gate valve)인 오프닝 밸브(V1)에 의해 진공챔버(14)로 끼워진다. 이어서 밸브(V1) 및 (V2)들 모두 닫혀진다. 다음에, 밸브(V4)는 닫혀지고 밸브(V3)는 열린다. 질소 퍼어즈 운반가스는 저온펌프(16)내로 배기된다. 저온펌프(16)은 질소를 갇히게 하지만 헬륨은 갇히게 하지 않는다. 시험성분으로 부터 누출되어지는 헬륨은 가스모양의 상태로 남아있고, 저온펌프(16)내에 축적된다. 저온펌프(16)은 진공챔버(14)를 배기시키며, 그리고 시스템은 약 백만분의 일초 내지 약 1초간 질량검출기(20)에 의해 검출하기위해 준비된다.

그다음 밸브(V5)는 닫혀지고 밸브(V4)는 열린다. 이어서 질량검출기(20)은 노출되고 시험대상(12)에 의해 방사되어지려하는 어떠한 헬륨을 검출한다.

검출을 종료한 후, 터어보펌프(22)로 밸브(V5)는 열리고 터어보펌프(22)는 전체의 시스템을 비워버린다. 그다음 밸브(V3)는 닫혀지고 밸브(V2)는 진공챔버(14)를 씻기위해 열린다. 이 지점에서 퍼어즈는 시스템으로 들어가면서부터 헬륨과 같은 어떠한 대기의 가스모양 물질을 처리한다. 그다음, 밸브(V1)는 열리고 시험대상은 제거된다.

본 발명에 따라서, 퍼어즈 운반가스는 질소이거나 또는 헬륨을 함유하지 않는 가스일 수도 있다. 아르곤이 임의로 본 발명에 따른 퍼어즈 운반가스로 이용되기도 하지만, 이르곤은 질소와 비교하여 보다높은 어는점을 가지므로 어떠한 헬륨이 걸리지 않도록 주의해야 한다. 헬륨을 포함하지 않는 다른 가스들은 그들의 저온펌프에 갇히고 검출가스를 갇히게 하지만 않는다면 퍼어즈 운반가스로 이용될 수 있다.

퍼어즈 운반가스를 얻기위한 적합한 방법은 액체 질소가 증발되게 하는 것이다. 액체질소를 증발되게 놓아두면 병에 들은 질소를 사용하거나 도는 누출 검출시스템(10)내로 액체 질소를 직접 공급할 때와 비교하여 적은 헬륨 불순물로서 나타나는 퍼어즈 운반가스가 형성된다. 질소가 증발을 허락하기 때문에 헬륨은 액체질소에 우선적으로 남아있는다. 질소의 얻어지는 우선적인 증발은 더욱 순수한 퍼어즈 운반가스를 가져온다. 명백하게, 액체질소는 완전히 증발을 허락하려 하지 않으며, 그리고 우선적인 양의 헬륨 불순물을 함유하는 나머지 액체는 버린다. 증발된 액체질소는 1초당 약 1부보다도 적은 헬륨 불순물을 가지는 퍼어즈 운반가스를 가져온다.

헬륨은 본 발명에서 적합한 검출가스로 이용된다. 다른 검출가스들이 본 발명에 이용될 수 있겠으나, 헬륨이 바람직한데 그 이유는 저온펌프의 작동온도에 비교하여 보다 낮은 어는점을 가지고 있는 불활성이고 또 누출 검출기 시스템 표면을 산화시키지 않거나 혹은 부식시키지 않기 때문이다. 예를 들어, 산소는 시스템 표면을 산화시킨다. 또한 헬륨은 수소와 같은 폭발성 가스 이상으로 바람직하다.

누출 검출기 시스템(10)에서의 비금속성 부품들은 그 부품들이 헬륨을 흡수할 수 있고 이어서 탈착되어 바람직하지못한 바탕을 가져오기 때문에 피해야 한다. 본 도에서 표시한 각각의 밸브들은 완전히 금속으로 만들어지고 바람직하게 공기작용으로 조작된 밸브들이다. 본 도에서 예시한 각각의 접속 통로들은 완전히 금속으로 만들어진다. 바람직하게, 밸브와 통로사이 또는 통로와 작용 유니트(unit)사이의 모든 접속수단은 금속 및 금속 가스켓으로 만들어진 접합 플랜지로 조립된다.

시험 사이클(test cycle) 시간은 약 30초이다. 사이클당 시험된 부품의 수는 부품의 크기, 진공챔버(14)의 크기, 그리고 산출량에 달려있다. 99.5%의 산출량을 갖는 작은 부품들에 대하여, 12개의 부품이 가장 효과적이다. 12개의 부품이 사이클당 시험되었다면, 적어도 1,000개의 부품들이 시간당 시험된다. 30시간동안 시험한 후, 저온펌프(16)을 채울 수 있고 회복시킬 수 있다. 회복은 가온시켜서 달성한다. 이어서 퍼어즈 운반가스는 대기로 새어나온다. 저온펌프(16)은 약 4시간 이내로 작동하게 회복 및 귀환될 수 있다.

본 발명의 기본적인 잇점은 헬륨과 같은 모든 검출가스가 누출시험 사이클의 개시 이후로 저온펌프(16)의 부피 영역에 수용된다는 것이다. 그것은 정확한 누출속도가 측정되게 하고 총 누출 및 미세누출 둘 모두에 적합시켜진다. 본 발명의 또다른 잇점은 장치 및 방법이 약 2atm cc/sec 내지 약 10-12atm cc/sec의 누출속도 근처에 있는 큰 감수성 동작범위를 갖는다는 것이다. 본 발명의 그밖의 장점은 누출 검출기 시스템내의 콘덕턴스(몰 부피흐름)가 제한되지 않는다는 것이다. 버블 시험 및 미소 전자 성분들에 대한 어떠한 다른 종래 기술의 누출 검출 시스템과는 다르게, 본 발명의 장치 및 공정은 전자 성분들을 손상시키지 않는다. 더우기, 누출 검출기 시스템(10)은 총 및 미소노출 둘 모두를 검출하는데 사용될 수 있으므로, 작은 전자부품의 누출을 체크하는데 필요한 시험장치를 간소화시킬 수 있다.

Claims (20)

1. 누출시험을 행하게되는 시험대상을 수용하기 위한 진공챔버, 상기한 진공챔버에 접속되어있고 또 헬륨을 갇히게 하지않으면서 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하기 위한 수단을 갖는 저온펌프, 그리고 상기한 진공챔버에 접속되어 있는 질량 검출기를 포함하고 있으며, 이에 따라서 저온펌프는 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하고 질량 검출기는 상기한 진공챔버내의 시험대상으로부터 방사되는 어떠한 헬륨을 검출하는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
2. 제1항에 있어서, 퍼어즈 운반가스가 질소인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
3. 제2항에 있어서, 내부 접속통로가 포함되는데, 상기한 통로 및 진공챔버는 금속으로 구성되는 내부 진공통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
4. 제3항에 있어서, 상기한 누출 검출기는 접속수단을 갖고 있는데, 그 접속수단은 금속대 금속의 접합플랜지, 금속가스켓 및 내부금속통로로 구성되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
5. 제2항에 있어서, 상기한 시스템은 누출검출 사이클의 준비동안에 누출 검출기를 비워주는 배출 펌프를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
6. 제5항에 있어서, 배출 펌프가 터어보 펌프인 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
7. 제2항에 있어서, 상기한 저온펌프는 약 16

   

   K 내지 약 22

   

   K의 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
8. 제7항에 있어서, 상기한 저온펌프는 약 18

   

   K 내지 약 20

   

   K에서 작동되는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
9. 제1항에 있어서, 상기한 저온펌프는 히터를 가지고 있고, 그것의 내부표면에 적어도 일부분에서 납을 가지고 또 헬륨을 갇히게 하는 물질이 없는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
10. 제1항에 있어서, 상기한 진공챔버는 작은 전자부품을 받기 위해서 약 10cc 내지 약 300cc의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 누출 검출기.
11. 누출시험을 행하게 되는 시험대상을 받기 위한 진공챔버를 제공하고, 상기한 진공챔버에 접속되게 되고 또는 검출가스를 갇히게 하지 않으면서 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하는 수단을 갖는 저온펌프를 제공하고, 상기한 진공챔버에 접속하게 되는 질량검출기를 제공하고, 상기한 진공챔버에 퍼어즈 가스를 도입하여 진공챔버를 깨끗히 씻어내며, 검출가스와 접촉되어지는 시험대상을 상기한 진공챔버내로 도입하며, 시험대상으로부터 누출되는 어떠한 검출가스도 갇히게 하지 않으면서 상기한 퍼어즈 운반가스를 갇히게 하는 상기한 진공펌프내로 시험대상으로 부터 누출되는 퍼어즈 운반가스 및 어떠한 검출가스를 비워주며, 그리고 상기한 질량검출기에 의해 어떠한 검출가스의 존재여부를 검출함을 특징으로 하는 누출 검출방법.
12. 제11항에 있어서, 퍼어즈 운반가스가 질소이고 검출가스가 헬륨인 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
13. 제12항에 있어서, 내부 접속통로가 마련되는데, 그 통로와 상기한 진공챔버는 금속으로 구성되는 내부 진공통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
14. 제13항에 있어서, 접속수단이 마련되는데, 그 접속수단은 금속대 금속의 접합 플랜지, 금속가스켓 및 내부 금속통로로 구성되는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
15. 제12항에 있어서, 누출 검출 사이클을 준비하는 동안에 배출 펌프로서 진공챔버를 비워주는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
16. 제15항에 있어서, 상기한 배출 펌프가 터어보 펌프인 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
17. 제12항에 있어서,상기한 저온펌프는 약 16

    

    K 내지 약 22

    

    K의 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
18. 제17항에 있어서, 상기한 저온펌프가 약 18

    

    K 내지 약 20

    

    K에서 작동되는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
19. 제12항에 있어서, 상기한 저온펌프는 히터를 갖고 있고 내부 표면에 적어도 일부분에서 납을 갖고 있고 또 헬륨을 갇히게 하는 물질이 없는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.
20. 제11항에 있어서, 상기한 시험대상은 작은 전자부품이 그 상기한 진공챔버는 약 10cc 내지 약 300cc의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 누출 검출방법.

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