利用TRIZ创新方法提高BGA芯片贴装精度
2022-02-22程虎
程 虎
应用研究
利用TRIZ创新方法提高BGA芯片贴装精度
程 虎
(武汉数字工程研究所,武汉 430205)
本文利用TRIZ创新方法提高BGA芯片贴装精度。运用TRIZ工具产生9个概念方案,针对解决方案进行分析、评估,最终确定了一种组合解,提高了BGA芯片贴装精度。
TRIZ BGA 贴装精度
0 引言
TRIZ是一种有助于科技创新活动的方法论[1],被认为是目前最全面系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论,运用这一理论可以大大加快人们创造发明的进程,进而得到高质量的创新产品[4-5]。本文基于TRIZ理论的创新方法对提高BGA芯片贴装精度问题进行了研究。
1 问题背景和描述
1.1 问题的背景
PCBA是产品的重要单元,随着集成度要求的提高,BGA芯片在PCB设计中被大量使用,BGA 的安装主要是靠贴片机来完成,但面对小批量多品种的BGA安装,贴片精度差,生产效率低。
主要现状表现在两个方面:1)针对小批量多品种任务,一般来料都是单个编带包装,而单个编带包装无法满足上机条件,又没有专用的托盘,只能找类似规格尺寸的托盘存放,以致贴片精度差,造成生产不良。2)一种BGA物料托盘只能对应存放一种尺寸的BGA器件,有的PCB布局设计BGA器件较多,但因为贴片机料栈位数量不够,不能一次贴装完成,需多次更换物料托盘,补新料后再次贴装,生产效率低。
1.2 问题的描述
1.2.1定义技术系统实现的功能
问题所在技术系统为:BGA物料托盘
该技术系统的功能为:限定BGA存放位置供贴片机精准吸取、贴装实现该功能的约束有:1)单个网格凹槽尺寸与BGA封装尺寸相匹配;2)整个托盘外框尺寸为135*320mm,高7mm。
1.2.2现有技术系统的工作原理
BGA物料托盘内有多个呈阵列式的网格,每个网格尺寸一致。网格为凹槽状,槽内为平面,以提供BGA支撑力,槽边高度为3mm,以限定BGA在方格内不移动。
1.2.3当前技术系统存在的问题
1)网格为固定阵列,尺寸比BGA芯片大,不能精准限定BGA位置;2)单个托盘只能匹配一种尺寸封装的BGA。
1.2.4问题或类似问题的现有解决方案及其缺点
解决方法1:选择槽内尺寸大的托盘,在单个方格槽内粘贴挡板,可形成尺寸与BGA匹配的新方格槽,一个托盘上可制作多种不同尺寸的新方格槽,解决了尺寸不匹配的问题,也满足多个品种的BGA的存放,如图1所示,用挡板制作新的方格槽(红色为粘贴挡板示意)。
缺点:1)制作精度不易把控;2)制作耗时;3)制作成型后不易拆卸改变尺寸,灵活性差。
图1 用挡板制作新的方格槽示意图
解决方法2:专利CN103038872A,提供一种元件托盘系统[6],包括:具有卡槽的元件托盘,以及可移除地连接至托盘顶面或的热成型薄板。薄板包括用于至少改变卡深度的热成型凸起。利用固定尺寸的元件托盘与不同尺寸的薄板组合成新的尺寸的托盘,结构示意图如图2所示。
缺点:1)组合后的尺寸仍然单一,不能同时存放多种不同尺寸的BGA;2)1种不同尺寸BGA就需要1种对应的薄板,制作成本高;
图2 专利CN103038872A托盘结构示意图
1.2.5新系统的要求
网格能存放并精准定位各种不同封装尺寸的BGA芯片;一个托盘同时可存放各种不同尺寸封装的BGA芯片;避免使用昂贵的材料或部件,成本可以接受;可靠性好,使用寿命长。
2 问题分析
2.1 功能分析
表1 BGA物料托盘系统组件分析
表2 BGA物料托盘系统相互作用分析
通过功能模型分析:
确定了导致问题存在的功能因素,列举出系统中存在的负面功能:网格对BGA芯片的定位功能不足。
构建功能模型图,如图3所示。
图3 BGA物料托盘功能模型图
2.2 因果分析
对系统产生的“BGA贴装精度差”的结果进行因果分析,如图4所示。
图4 因果分析图
通过因果分析,确定本系统中导致问题产生的原因为:网格尺寸不能调整、BGA封装尺寸太小。
2.3 资源分析
对整个系统可用资源进行分析,如表3所示。
2.4 确立问题解决突破点
通过开展系统三大分析(功能分析、因果分析、资源分析),明确了系统中组件之间的相互关系及存在的负面功能,深入挖掘了问题出现的多层次原因,在综合考虑系统可用资源的基础上,确定问题解决的突破点如下:
问题解决突破点1:网格对BGA的定位功能不足
问题解决突破点2:网格尺寸不能调整。
表3 资源分析表
3 问题求解
3.1 系统裁剪
3.1.1确定裁剪元件的原则
1)基于项目目标选择裁剪对象。降低成本:优选功能价值低、成本高的组件;专利规避:优选专利权声明相关组件;改善系统:优选主要缺点的组件;降低系统复杂度:优选高复杂度的组件。2)选择“具有有害功能的组件”。3)选择“低价值的组件”。4)选择“提供辅助功能的组件”。根据裁剪规则实施裁剪,功能模型图如图5所示。
图5 裁剪功能模型图
3.1.2描述形成的概念方案
方案1:运用裁剪实施规则3裁剪原有通过网格定位和盘底支撑来的方式,采用具有定位功能的栈位来实现原有支撑和定位的功能。
3.2 技术矛盾
1)描述问题
要解决的问题“调整网格尺寸,提高BGA贴装精度”
2)阐述技术矛盾
以技术矛盾方式阐述这个问题,如表4所示。
表4 技术矛盾描述表
3)选择技术矛盾
由于目标是提高BGA贴装精度,所以选择技术矛盾-1。
4)用工程参数描述技术矛盾并查询阿奇舒勒矛盾矩阵,选择技术矛盾参数组合以及查询所得发明原理,如表5所示。
表5 分析阿奇舒勒矛盾矩阵
注:15动态性原理;34抛弃或再生原理;1分割原理;16不足或超额行动
描述形成的概念方案
方案2:运用发明原理15(动态性原理),可以得到如下方案:可以将网格设计为动态化的,即根据BGA芯片尺寸可自适性的调整网格尺寸。
方案3:运用发明原理1(分割原理),可以得到如下方案:将BGA物料托盘分解成容易拆卸和组装的围框、网格、盘底。
3.3 物理矛盾
1)描述关键问题
网格能活动以适应不同尺寸BGA的存放,但又需要固定能精准定位BGA
2)写出物理矛盾
网格需要是活动的,因为要存放不同尺寸的BGA;但是,网格又不能是活动的,因为要精准定位BGA。
3)加入导向关键词来描述物理矛盾
在存放BGA前的时候,需要网格是活动的,因为放发不同尺寸BGA;但是,在存放BGA后的时候,需要网格不是活动的,因为要存放精准定位BGA。
4)确定所使用的分离原理
对于体现出来“什么时候”的导向关键词,适用的分离原理为基于时间分离。
5)选择对应的发明原理
在分析了基于时间分离推荐的解决物理矛盾的几个发明原理后,确认“动态特性”原理是最合适的。
6)产生具体的解决方案
方案4:根据“动态性”原理的提示,可以将网格设计为动态化的,即根据BGA芯片尺寸可自适性的调整网格尺寸。
3.4 物场分析与标准解
针对问题解决突破点,构建系统初始物-场模型图,如图6所示。
根据启发性原则寻找合适的标准解方案:
方案5:运用标准解S2.2.2(加大对工具物质的分割程度向微观控制转换),将固定的网格分割成四个活动尺寸可调整的边柱,移动边柱位置,增强对BGA芯片的定位作用,即网格设计为动态化,根据BGA芯片尺寸可自适性的调整网格尺寸,物-场模型图如图b所示。
3.5 知识库查询类比
提炼欲改变的系统功能:改变物体尺寸,查询知识库并获得结果。综合查询各类科学效应库,的到可利用的效应如下:
图6 系统初始物-场模型图
E75热膨胀;E87形状记忆合金;E85形变;E89压电效应;E14磁弹性;E88压磁效应
描述形成的方案:
方案6:利用形变原理,设计尺寸可变的网格,即网格设计为动态化,根据BGA芯片尺寸可自适性的调整网格尺寸。
3.6 S曲线及进化法则
对系统所处S曲线时期的判断
性能描述:局部优化;发明级别描述:级别较低;发明数量描述:专利数量逐年增加;经济收益 描述:经济逐年增加;综合考虑以上四个指标,判断本系统处于成长向成熟过渡期,系统所处阶段与进化法则的对应关系。
描述形成的概念方案:
方案7:运用向超系统进化法则产生新的概念方案,将托盘的功能转移到栈位上,即采用具有定位功能的栈位来实现原有支撑和定位BGA的功能。
3.7 九屏幕法
填写扩展型资源列表,如表6所示。根据资源列表提示,选取可用资源,列在九屏幕中,用九屏幕法填写资源列表,如表7所示。
表6 扩展型资源列表
表7 提取可用资源列表
描述形成的概念方案:
方案8:引入动态化网格,根据BGA芯片尺寸可自适性的调整网格尺寸。
方案9:引入具有定位功能的栈位来实现原有支撑和定位的功能。
4 方案评估
4.1 初步概念方案汇总
将产生的全部概念方案汇总,如表8所示。对产生的全部概念方案进行评价,如表9所示
表8 方案汇总表
表9 方案评价表
4.2 最终实施方案描述
最终实施方案综合了以下几个方面:首先是将托盘进行分解,由可拆卸和可组装的部件组成,再将网格进行动态化的设计,可根据BGA芯片尺寸大小来调整网格的大小尺寸。综合改进方案如图7所示。本装置采用两级活动平台调节芯片槽大小,以适应各种尺寸大小的BGA芯片存放,提供一个尺寸匹配度最佳的物料托盘装置,且该装置在包含多个单元BGA物料存放装置的情况下可同时满足若干个不同尺寸大小BGA芯片存放。
5 实施效果
使用新设计的尺寸可调托盘进行BGA芯片贴装,并将焊接后的焊点通过X-ray透视核验,同时将使用普通托盘贴装的BGA焊点和尺寸可调托盘贴装的BGA焊点进行对比,得出后者的偏移量明显比前者的偏移量小,通过X-ray设备软件测量计算,前者的偏移量为21.3%,后者的偏移量仅仅为8.2%,从偏移量可以看出BGA的贴装精度得到明显提高。
图7 综合改进方案图
6 结论
本文利用TRIZ的工具后产生了9个概念方案,针对解决方案进行分析、评估,最终确定了一种组合解,研制了所需求的BGA物料托盘装置,减少了返工返修情况,并改善了多次更换托盘、补料的情况,提高了BGA芯片贴装精度,有效保证了产品质量和生产效率。
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[6] 谢梁周, 林宏勇, 阿朗@萨布里﹒宾﹒阿哈默德.用于电子器件的可剥离混合托盘系统[P].中国专利, CN103038872A, 2013.
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:无线电装接。E-mail: chenghu115@163.com