利用TRIZ創(chuàng)新方法提高BGA芯片貼裝精度

程 虎

應(yīng)用研究

利用TRIZ創(chuàng)新方法提高BGA芯片貼裝精度

程 虎

（武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430205）

本文利用TRIZ創(chuàng)新方法提高BGA芯片貼裝精度。運(yùn)用TRIZ工具產(chǎn)生9個(gè)概念方案，針對(duì)解決方案進(jìn)行分析、評(píng)估，最終確定了一種組合解，提高了BGA芯片貼裝精度。

TRIZ BGA 貼裝精度

0 引言

TRIZ是一種有助于科技創(chuàng)新活動(dòng)的方法論[1]，被認(rèn)為是目前最全面系統(tǒng)地論述發(fā)明創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論，運(yùn)用這一理論可以大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，進(jìn)而得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[4-5]。本文基于TRIZ理論的創(chuàng)新方法對(duì)提高BGA芯片貼裝精度問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 問(wèn)題背景和描述

1.1 問(wèn)題的背景

PCBA是產(chǎn)品的重要單元，隨著集成度要求的提高，BGA芯片在PCB設(shè)計(jì)中被大量使用，BGA 的安裝主要是靠貼片機(jī)來(lái)完成，但面對(duì)小批量多品種的BGA安裝，貼片精度差，生產(chǎn)效率低。

主要現(xiàn)狀表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）針對(duì)小批量多品種任務(wù)，一般來(lái)料都是單個(gè)編帶包裝，而單個(gè)編帶包裝無(wú)法滿足上機(jī)條件，又沒(méi)有專(zhuān)用的托盤(pán)，只能找類(lèi)似規(guī)格尺寸的托盤(pán)存放，以致貼片精度差，造成生產(chǎn)不良。2）一種BGA物料托盤(pán)只能對(duì)應(yīng)存放一種尺寸的BGA器件，有的PCB布局設(shè)計(jì)BGA器件較多，但因?yàn)橘N片機(jī)料棧位數(shù)量不夠，不能一次貼裝完成，需多次更換物料托盤(pán)，補(bǔ)新料后再次貼裝，生產(chǎn)效率低。

1.2 問(wèn)題的描述

1.2.1定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

問(wèn)題所在技術(shù)系統(tǒng)為：BGA物料托盤(pán)

該技術(shù)系統(tǒng)的功能為：限定BGA存放位置供貼片機(jī)精準(zhǔn)吸取、貼裝實(shí)現(xiàn)該功能的約束有：1）單個(gè)網(wǎng)格凹槽尺寸與BGA封裝尺寸相匹配；2）整個(gè)托盤(pán)外框尺寸為135*320mm，高7mm。

1.2.2現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

BGA物料托盤(pán)內(nèi)有多個(gè)呈陣列式的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格尺寸一致。網(wǎng)格為凹槽狀，槽內(nèi)為平面，以提供BGA支撐力，槽邊高度為3mm，以限定BGA在方格內(nèi)不移動(dòng)。

1.2.3當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1）網(wǎng)格為固定陣列，尺寸比BGA芯片大，不能精準(zhǔn)限定BGA位置；2）單個(gè)托盤(pán)只能匹配一種尺寸封裝的BGA。

1.2.4問(wèn)題或類(lèi)似問(wèn)題的現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)

解決方法1：選擇槽內(nèi)尺寸大的托盤(pán)，在單個(gè)方格槽內(nèi)粘貼擋板，可形成尺寸與BGA匹配的新方格槽，一個(gè)托盤(pán)上可制作多種不同尺寸的新方格槽，解決了尺寸不匹配的問(wèn)題，也滿足多個(gè)品種的BGA的存放，如圖1所示，用擋板制作新的方格槽（紅色為粘貼擋板示意）。

缺點(diǎn)：1）制作精度不易把控；2）制作耗時(shí)；3）制作成型后不易拆卸改變尺寸，靈活性差。

圖1 用擋板制作新的方格槽示意圖

解決方法2：專(zhuān)利CN103038872A，提供一種元件托盤(pán)系統(tǒng)[6]，包括:具有卡槽的元件托盤(pán)，以及可移除地連接至托盤(pán)頂面或的熱成型薄板。薄板包括用于至少改變卡深度的熱成型凸起。利用固定尺寸的元件托盤(pán)與不同尺寸的薄板組合成新的尺寸的托盤(pán)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

缺點(diǎn)：1）組合后的尺寸仍然單一，不能同時(shí)存放多種不同尺寸的BGA；2）1種不同尺寸BGA就需要1種對(duì)應(yīng)的薄板，制作成本高；

圖2 專(zhuān)利CN103038872A托盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.5新系統(tǒng)的要求

網(wǎng)格能存放并精準(zhǔn)定位各種不同封裝尺寸的BGA芯片；一個(gè)托盤(pán)同時(shí)可存放各種不同尺寸封裝的BGA芯片；避免使用昂貴的材料或部件，成本可以接受；可靠性好，使用壽命長(zhǎng)。

2 問(wèn)題分析

2.1 功能分析

表1 BGA物料托盤(pán)系統(tǒng)組件分析

表2 BGA物料托盤(pán)系統(tǒng)相互作用分析

通過(guò)功能模型分析：

確定了導(dǎo)致問(wèn)題存在的功能因素，列舉出系統(tǒng)中存在的負(fù)面功能：網(wǎng)格對(duì)BGA芯片的定位功能不足。

構(gòu)建功能模型圖，如圖3所示。

圖3 BGA物料托盤(pán)功能模型圖

2.2 因果分析

對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的“BGA貼裝精度差”的結(jié)果進(jìn)行因果分析，如圖4所示。

圖4 因果分析圖

通過(guò)因果分析，確定本系統(tǒng)中導(dǎo)致問(wèn)題產(chǎn)生的原因?yàn)椋壕W(wǎng)格尺寸不能調(diào)整、BGA封裝尺寸太小。

2.3 資源分析

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可用資源進(jìn)行分析，如表3所示。

2.4 確立問(wèn)題解決突破點(diǎn)

通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)三大分析（功能分析、因果分析、資源分析），明確了系統(tǒng)中組件之間的相互關(guān)系及存在的負(fù)面功能，深入挖掘了問(wèn)題出現(xiàn)的多層次原因，在綜合考慮系統(tǒng)可用資源的基礎(chǔ)上，確定問(wèn)題解決的突破點(diǎn)如下：

問(wèn)題解決突破點(diǎn)1：網(wǎng)格對(duì)BGA的定位功能不足

問(wèn)題解決突破點(diǎn)2：網(wǎng)格尺寸不能調(diào)整。

表3 資源分析表

3 問(wèn)題求解

3.1 系統(tǒng)裁剪

3.1.1確定裁剪元件的原則

1）基于項(xiàng)目目標(biāo)選擇裁剪對(duì)象。降低成本：優(yōu)選功能價(jià)值低、成本高的組件；專(zhuān)利規(guī)避：優(yōu)選專(zhuān)利權(quán)聲明相關(guān)組件；改善系統(tǒng)：優(yōu)選主要缺點(diǎn)的組件；降低系統(tǒng)復(fù)雜度：優(yōu)選高復(fù)雜度的組件。2）選擇“具有有害功能的組件”。3）選擇“低價(jià)值的組件”。4）選擇“提供輔助功能的組件”。根據(jù)裁剪規(guī)則實(shí)施裁剪，功能模型圖如圖5所示。

圖5 裁剪功能模型圖

3.1.2描述形成的概念方案

方案1：運(yùn)用裁剪實(shí)施規(guī)則3裁剪原有通過(guò)網(wǎng)格定位和盤(pán)底支撐來(lái)的方式，采用具有定位功能的棧位來(lái)實(shí)現(xiàn)原有支撐和定位的功能。

3.2 技術(shù)矛盾

1）描述問(wèn)題

要解決的問(wèn)題“調(diào)整網(wǎng)格尺寸，提高BGA貼裝精度”

2）闡述技術(shù)矛盾

以技術(shù)矛盾方式闡述這個(gè)問(wèn)題，如表4所示。

表4 技術(shù)矛盾描述表

3）選擇技術(shù)矛盾

由于目標(biāo)是提高BGA貼裝精度，所以選擇技術(shù)矛盾-1。

4）用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾并查詢(xún)阿奇舒勒矛盾矩陣，選擇技術(shù)矛盾參數(shù)組合以及查詢(xún)所得發(fā)明原理，如表5所示。

表5 分析阿奇舒勒矛盾矩陣

注：15動(dòng)態(tài)性原理；34拋棄或再生原理；1分割原理；16不足或超額行動(dòng)

描述形成的概念方案

方案2：運(yùn)用發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)性原理），可以得到如下方案：可以將網(wǎng)格設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)化的，即根據(jù)BGA芯片尺寸可自適性的調(diào)整網(wǎng)格尺寸。

方案3：運(yùn)用發(fā)明原理1（分割原理），可以得到如下方案：將BGA物料托盤(pán)分解成容易拆卸和組裝的圍框、網(wǎng)格、盤(pán)底。

3.3 物理矛盾

1）描述關(guān)鍵問(wèn)題

網(wǎng)格能活動(dòng)以適應(yīng)不同尺寸BGA的存放，但又需要固定能精準(zhǔn)定位BGA

2）寫(xiě)出物理矛盾

網(wǎng)格需要是活動(dòng)的，因?yàn)橐娣挪煌叽绲腂GA；但是，網(wǎng)格又不能是活動(dòng)的，因?yàn)橐珳?zhǔn)定位BGA。

3）加入導(dǎo)向關(guān)鍵詞來(lái)描述物理矛盾

在存放BGA前的時(shí)候，需要網(wǎng)格是活動(dòng)的，因?yàn)榉虐l(fā)不同尺寸BGA；但是，在存放BGA后的時(shí)候，需要網(wǎng)格不是活動(dòng)的，因?yàn)橐娣啪珳?zhǔn)定位BGA。

4）確定所使用的分離原理

對(duì)于體現(xiàn)出來(lái)“什么時(shí)候”的導(dǎo)向關(guān)鍵詞，適用的分離原理為基于時(shí)間分離。

5）選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

在分析了基于時(shí)間分離推薦的解決物理矛盾的幾個(gè)發(fā)明原理后，確認(rèn)“動(dòng)態(tài)特性”原理是最合適的。

6）產(chǎn)生具體的解決方案

方案4：根據(jù)“動(dòng)態(tài)性”原理的提示，可以將網(wǎng)格設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)化的，即根據(jù)BGA芯片尺寸可自適性的調(diào)整網(wǎng)格尺寸。

3.4 物場(chǎng)分析與標(biāo)準(zhǔn)解

針對(duì)問(wèn)題解決突破點(diǎn)，構(gòu)建系統(tǒng)初始物-場(chǎng)模型圖，如圖6所示。

根據(jù)啟發(fā)性原則尋找合適的標(biāo)準(zhǔn)解方案：

方案5：運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.2（加大對(duì)工具物質(zhì)的分割程度向微觀控制轉(zhuǎn)換），將固定的網(wǎng)格分割成四個(gè)活動(dòng)尺寸可調(diào)整的邊柱，移動(dòng)邊柱位置，增強(qiáng)對(duì)BGA芯片的定位作用，即網(wǎng)格設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)化，根據(jù)BGA芯片尺寸可自適性的調(diào)整網(wǎng)格尺寸，物-場(chǎng)模型圖如圖b所示。

3.5 知識(shí)庫(kù)查詢(xún)類(lèi)比

提煉欲改變的系統(tǒng)功能：改變物體尺寸，查詢(xún)知識(shí)庫(kù)并獲得結(jié)果。綜合查詢(xún)各類(lèi)科學(xué)效應(yīng)庫(kù)，的到可利用的效應(yīng)如下：

圖6 系統(tǒng)初始物-場(chǎng)模型圖

E75熱膨脹；E87形狀記憶合金；E85形變；E89壓電效應(yīng)；E14磁彈性；E88壓磁效應(yīng)

描述形成的方案：

方案6：利用形變?cè)?，設(shè)計(jì)尺寸可變的網(wǎng)格，即網(wǎng)格設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)化，根據(jù)BGA芯片尺寸可自適性的調(diào)整網(wǎng)格尺寸。

3.6 S曲線及進(jìn)化法則

對(duì)系統(tǒng)所處S曲線時(shí)期的判斷

性能描述：局部?jī)?yōu)化；發(fā)明級(jí)別描述：級(jí)別較低；發(fā)明數(shù)量描述：專(zhuān)利數(shù)量逐年增加；經(jīng)濟(jì)收益 描述：經(jīng)濟(jì)逐年增加；綜合考慮以上四個(gè)指標(biāo)，判斷本系統(tǒng)處于成長(zhǎng)向成熟過(guò)渡期，系統(tǒng)所處階段與進(jìn)化法則的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

描述形成的概念方案：

方案7：運(yùn)用向超系統(tǒng)進(jìn)化法則產(chǎn)生新的概念方案，將托盤(pán)的功能轉(zhuǎn)移到棧位上，即采用具有定位功能的棧位來(lái)實(shí)現(xiàn)原有支撐和定位BGA的功能。

3.7 九屏幕法

填寫(xiě)擴(kuò)展型資源列表，如表6所示。根據(jù)資源列表提示，選取可用資源，列在九屏幕中，用九屏幕法填寫(xiě)資源列表，如表7所示。

表6 擴(kuò)展型資源列表

表7 提取可用資源列表

描述形成的概念方案：

方案8：引入動(dòng)態(tài)化網(wǎng)格，根據(jù)BGA芯片尺寸可自適性的調(diào)整網(wǎng)格尺寸。

方案9：引入具有定位功能的棧位來(lái)實(shí)現(xiàn)原有支撐和定位的功能。

4 方案評(píng)估

4.1 初步概念方案匯總

將產(chǎn)生的全部概念方案匯總，如表8所示。對(duì)產(chǎn)生的全部概念方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表9所示

表8 方案匯總表

表9 方案評(píng)價(jià)表

4.2 最終實(shí)施方案描述

最終實(shí)施方案綜合了以下幾個(gè)方面：首先是將托盤(pán)進(jìn)行分解，由可拆卸和可組裝的部件組成，再將網(wǎng)格進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)，可根據(jù)BGA芯片尺寸大小來(lái)調(diào)整網(wǎng)格的大小尺寸。綜合改進(jìn)方案如圖7所示。本裝置采用兩級(jí)活動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)芯片槽大小，以適應(yīng)各種尺寸大小的BGA芯片存放，提供一個(gè)尺寸匹配度最佳的物料托盤(pán)裝置，且該裝置在包含多個(gè)單元BGA物料存放裝置的情況下可同時(shí)滿足若干個(gè)不同尺寸大小BGA芯片存放。

5 實(shí)施效果

使用新設(shè)計(jì)的尺寸可調(diào)托盤(pán)進(jìn)行BGA芯片貼裝，并將焊接后的焊點(diǎn)通過(guò)X-ray透視核驗(yàn)，同時(shí)將使用普通托盤(pán)貼裝的BGA焊點(diǎn)和尺寸可調(diào)托盤(pán)貼裝的BGA焊點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，得出后者的偏移量明顯比前者的偏移量小，通過(guò)X-ray設(shè)備軟件測(cè)量計(jì)算，前者的偏移量為21.3%，后者的偏移量?jī)H僅為8.2%，從偏移量可以看出BGA的貼裝精度得到明顯提高。

圖7 綜合改進(jìn)方案圖

6 結(jié)論

本文利用TRIZ的工具后產(chǎn)生了9個(gè)概念方案，針對(duì)解決方案進(jìn)行分析、評(píng)估，最終確定了一種組合解，研制了所需求的BGA物料托盤(pán)裝置，減少了返工返修情況，并改善了多次更換托盤(pán)、補(bǔ)料的情況，提高了BGA芯片貼裝精度，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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The application of TRIZ and its tool in improving BGA chip mounting accuracy

Cheng Hu

(WuHan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205, China)

TRIZ; BGA; mounting accuracy

TM612

A

1003-4862（2022）02-0055-06

2021-07-30

程虎(1986-)，男，本科。研究方向：無(wú)線電裝接。E-mail: chenghu115@163.com