利用TRIZ创新方法提高BGA芯片贴装精度

2022-02-22程虎

船电技术 2022年2期

关键词：尺寸精度网格

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。