利用TRIZ創新方法提高BGA芯片貼裝精度

程 虎

應用研究

利用TRIZ創新方法提高BGA芯片貼裝精度

程 虎

（武漢數字工程研究所，武漢 430205）

本文利用TRIZ創新方法提高BGA芯片貼裝精度。運用TRIZ工具產生9個概念方案，針對解決方案進行分析、評估，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新活動的方法論[1]，被認為是目前最全面系統地論述發明創造、實現技術創新的新理論，運用這一理論可以大大加快人們創造發明的進程，進而得到高質量的創新產品[4-5]。本文基于TRIZ理論的創新方法對提高BGA芯片貼裝精度問題進行了研究。

1 問題背景和描述

1.1 問題的背景

PCBA是產品的重要單元，隨著集成度要求的提高，BGA芯片在PCB設計中被大量使用，BGA 的安裝主要是靠貼片機來完成，但面對小批量多品種的BGA安裝，貼片精度差，生產效率低。

主要現狀表現在兩個方面：1）針對小批量多品種任務，一般來料都是單個編帶包裝，而單個編帶包裝無法滿足上機條件，又沒有專用的托盤，只能找類似規格尺寸的托盤存放，以致貼片精度差，造成生產不良。2）一種BGA物料托盤只能對應存放一種尺寸的BGA器件，有的PCB布局設計BGA器件較多，但因為貼片機料棧位數量不夠，不能一次貼裝完成，需多次更換物料托盤，補新料后再次貼裝，生產效率低。

1.2 問題的描述

1.2.1定義技術系統實現的功能

問題所在技術系統為：BGA物料托盤

該技術系統的功能為：限定BGA存放位置供貼片機精準吸取、貼裝實現該功能的約束有：1）單個網格凹槽尺寸與BGA封裝尺寸相匹配；2）整個托盤外框尺寸為135*320mm，高7mm。

1.2.2現有技術系統的工作原理

BGA物料托盤內有多個呈陣列式的網格，每個網格尺寸一致。網格為凹槽狀，槽內為平面，以提供BGA支撐力，槽邊高度為3mm，以限定BGA在方格內不移動。

1.2.3當前技術系統存在的問題

1）網格為固定陣列，尺寸比BGA芯片大，不能精準限定BGA位置；2）單個托盤只能匹配一種尺寸封裝的BGA。

1.2.4問題或類似問題的現有解決方案及其缺點

解決方法1：選擇槽內尺寸大的托盤，在單個方格槽內粘貼擋板，可形成尺寸與BGA匹配的新方格槽，一個托盤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題，也滿足多個品種的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：1）制作精度不易把控；2）制作耗時；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：專利CN103038872A，提供一種元件托盤系統[6]，包括:具有卡槽的元件托盤，以及可移除地連接至托盤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與不同尺寸的薄板組合成新的尺寸的托盤，結構示意圖如圖2所示。

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

圖2 專利CN103038872A托盤結構示意圖

1.2.5新系統的要求

網格能存放并精準定位各種不同封裝尺寸的BGA芯片；一個托盤同時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。

2 問題分析

2.1 功能分析

表1 BGA物料托盤系統組件分析

表2 BGA物料托盤系統相互作用分析

通過功能模型分析：

確定了導致問題存在的功能因素，列舉出系統中存在的負面功能：網格對BGA芯片的定位功能不足。

構建功能模型圖，如圖3所示。

圖3 BGA物料托盤功能模型圖

2.2 因果分析

對系統產生的“BGA貼裝精度差”的結果進行因果分析，如圖4所示。

圖4 因果分析圖

通過因果分析，確定本系統中導致問題產生的原因為：網格尺寸不能調整、BGA封裝尺寸太小。

2.3 資源分析

對整個系統可用資源進行分析，如表3所示。

2.4 確立問題解決突破點

通過開展系統三大分析（功能分析、因果分析、資源分析），明確了系統中組件之間的相互關系及存在的負面功能，深入挖掘了問題出現的多層次原因，在綜合考慮系統可用資源的基礎上，確定問題解決的突破點如下：

問題解決突破點1：網格對BGA的定位功能不足

問題解決突破點2：網格尺寸不能調整。

表3 資源分析表

3 問題求解

3.1 系統裁剪

3.1.1確定裁剪元件的原則

1）基于項目目標選擇裁剪對象。降低成本：優選功能價值低、成本高的組件；專利規避：優選專利權聲明相關組件；改善系統：優選主要缺點的組件；降低系統復雜度：優選高復雜度的組件。2）選擇“具有有害功能的組件”。3）選擇“低價值的組件”。4）選擇“提供輔助功能的組件”。根據裁剪規則實施裁剪，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：運用裁剪實施規則3裁剪原有通過網格定位和盤底支撐來的方式，采用具有定位功能的棧位來實現原有支撐和定位的功能。

3.2 技術矛盾

1）描述問題

要解決的問題“調整網格尺寸，提高BGA貼裝精度”

2）闡述技術矛盾

以技術矛盾方式闡述這個問題，如表4所示。

表4 技術矛盾描述表

3）選擇技術矛盾

由于目標是提高BGA貼裝精度，所以選擇技術矛盾-1。

4）用工程參數描述技術矛盾并查詢阿奇舒勒矛盾矩陣，選擇技術矛盾參數組合以及查詢所得發明原理，如表5所示。

表5 分析阿奇舒勒矛盾矩陣

注：15動態性原理；34拋棄或再生原理；1分割原理；16不足或超額行動

描述形成的概念方案

方案2：運用發明原理15（動態性原理），可以得到如下方案：可以將網格設計為動態化的，即根據BGA芯片尺寸可自適性的調整網格尺寸。

方案3：運用發明原理1（分割原理），可以得到如下方案：將BGA物料托盤分解成容易拆卸和組裝的圍框、網格、盤底。

3.3 物理矛盾

1）描述關鍵問題

網格能活動以適應不同尺寸BGA的存放，但又需要固定能精準定位BGA

2）寫出物理矛盾

網格需要是活動的，因為要存放不同尺寸的BGA；但是，網格又不能是活動的，因為要精準定位BGA。

3）加入導向關鍵詞來描述物理矛盾

在存放BGA前的時候，需要網格是活動的，因為放發不同尺寸BGA；但是，在存放BGA后的時候，需要網格不是活動的，因為要存放精準定位BGA。

4）確定所使用的分離原理

對于體現出來“什么時候”的導向關鍵詞，適用的分離原理為基于時間分離。

5）選擇對應的發明原理

在分析了基于時間分離推薦的解決物理矛盾的幾個發明原理后，確認“動態特性”原理是最合適的。

6）產生具體的解決方案

方案4：根據“動態性”原理的提示，可以將網格設計為動態化的，即根據BGA芯片尺寸可自適性的調整網格尺寸。

3.4 物場分析與標準解

針對問題解決突破點，構建系統初始物-場模型圖，如圖6所示。

根據啟發性原則尋找合適的標準解方案：

方案5：運用標準解S2.2.2（加大對工具物質的分割程度向微觀控制轉換），將固定的網格分割成四個活動尺寸可調整的邊柱，移動邊柱位置，增強對BGA芯片的定位作用，即網格設計為動態化，根據BGA芯片尺寸可自適性的調整網格尺寸，物-場模型圖如圖b所示。

3.5 知識庫查詢類比

提煉欲改變的系統功能：改變物體尺寸，查詢知識庫并獲得結果。綜合查詢各類科學效應庫，的到可利用的效應如下：

圖6 系統初始物-場模型圖

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

描述形成的方案：

方案6：利用形變原理，設計尺寸可變的網格，即網格設計為動態化，根據BGA芯片尺寸可自適性的調整網格尺寸。

3.6 S曲線及進化法則

對系統所處S曲線時期的判斷

性能描述：局部優化；發明級別描述：級別較低；發明數量描述：專利數量逐年增加；經濟收益 描述：經濟逐年增加；綜合考慮以上四個指標，判斷本系統處于成長向成熟過渡期，系統所處階段與進化法則的對應關系。

描述形成的概念方案：

方案7：運用向超系統進化法則產生新的概念方案，將托盤的功能轉移到棧位上，即采用具有定位功能的棧位來實現原有支撐和定位BGA的功能。

3.7 九屏幕法

填寫擴展型資源列表，如表6所示。根據資源列表提示，選取可用資源，列在九屏幕中，用九屏幕法填寫資源列表，如表7所示。

表6 擴展型資源列表

表7 提取可用資源列表

描述形成的概念方案：

方案8：引入動態化網格，根據BGA芯片尺寸可自適性的調整網格尺寸。

方案9：引入具有定位功能的棧位來實現原有支撐和定位的功能。

4 方案評估

4.1 初步概念方案匯總

將產生的全部概念方案匯總，如表8所示。對產生的全部概念方案進行評價，如表9所示

表8 方案匯總表

表9 方案評價表

4.2 最終實施方案描述

最終實施方案綜合了以下幾個方面：首先是將托盤進行分解，由可拆卸和可組裝的部件組成，再將網格進行動態化的設計，可根據BGA芯片尺寸大小來調整網格的大小尺寸。綜合改進方案如圖7所示。本裝置采用兩級活動平臺調節芯片槽大小，以適應各種尺寸大小的BGA芯片存放，提供一個尺寸匹配度最佳的物料托盤裝置，且該裝置在包含多個單元BGA物料存放裝置的情況下可同時滿足若干個不同尺寸大小BGA芯片存放。

5 實施效果

使用新設計的尺寸可調托盤進行BGA芯片貼裝，并將焊接后的焊點通過X-ray透視核驗，同時將使用普通托盤貼裝的BGA焊點和尺寸可調托盤貼裝的BGA焊點進行對比，得出后者的偏移量明顯比前者的偏移量小，通過X-ray設備軟件測量計算，前者的偏移量為21.3%，后者的偏移量僅僅為8.2%，從偏移量可以看出BGA的貼裝精度得到明顯提高。

圖7 綜合改進方案圖

6 結論

本文利用TRIZ的工具后產生了9個概念方案，針對解決方案進行分析、評估，最終確定了一種組合解，研制了所需求的BGA物料托盤裝置，減少了返工返修情況，并改善了多次更換托盤、補料的情況，提高了BGA芯片貼裝精度，有效保證了產品質量和生產效率。

[1] 張震, 張夢元, 周蕾等. 利用TRIZ提高燃料電池增濕器的增濕能力[J].船電技術, 2021,41(06): 51-53

[2] 劉以成, 徐國祥, 李俊等. 基于TRIZ理論的質子交換膜燃料電池膜材料研究進展分析[J].化工進展, 2014,33(12): 3412-3417.

[3] 趙新軍. 技術創新理論（TRIZ）及應用[M].北京: 化學工業出版社, 2004: 13-14.

[4] 楊劍偉, 陳文戈, 周金平等. 基于TRIZ的水冷系統三通閥設計[J].機電工程技術, 2015, 44(09): 15-16.

[5] 趙林林, 李景仲, 武濤. 基于TRIZ理論的洗瓶機出瓶裝置的創新設計[J]. 機械, 2014, 41(1): 54-56.

[6] 謝梁周, 林宏勇, 阿朗@薩布里﹒賓﹒阿哈默德.用于電子器件的可剝離混合托盤系統[P].中國專利, 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：無線電裝接。E-mail: chenghu115@163.com