КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Описание исходной, изобретательской ситуации
 
 
На одном из предприятий объединения производятся печатные платы. После того как микросхемы установлены на плату, их выводы требуется припаять к плате. Производство среднесерийное, потому используется специальный технологический процесс — пайка волной припоя.

Пайка волной представляет собой процесс, при котором расплавленный припой, за счет создаваемой в нем волны, «пробегает» по выводам микросхемы и контактным площадкам печатной платы. Происходит припайка выводов к печатной плате.

Процесс производительный, эффективный. Но существует проблема. Из-за того, что не удается обеспечить 100 % чистоту поверхности платы, со стороны пайки, между соседними выводами, где есть «грязь», образуются тонкие перемычки из припоя. Это приводит к замыканию. Такая печатная плата считается браком.

Как быть?

 

Примечания. 

  • На эскизе показаны только два рядом стоящих вывода микросхемы.
  • Монтаж микросхем на плате выполнен таким образом, что ряды выводов микросхем перпендикулярны фронту волны припоя.

 

 

Часть 1. Анализ задачи

 
Замена спецтерминов:

припой — жидкая смачивалка;
вывод микросхемы — ножка;
контактная площадка платы — полочка;
плата — пластина;
перемычка из припоя между соседними выводами микросхемы, образованная на загрязненном участке платы — «вредилка»;
загрязнения на плате — грязь.

 

1.1. Условие мини-задачи:
 

1.1.а Техническая система:

для соединения ножек с полочками
включает жидкую смачивалку, ножки, пластину, систему генерации волны смачивалки, механизм перемещения пластины, систему нагрева смачивалки

 

1.1.б Техническое противоречие 1 (ТП-1):

Смачивалка с сильным смачивающим свойством соединяет ножки с полочками, но при этом образуются «вредилки»

 

Техническое противоречие 2 (ТП-2):

Смачивалка со слабым смачивающим свойством не образует «вредилок», но и не соединяет ножки с полочками.

 

1.1.в

Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить соединение ножек с полочками без образования «вредилок».

 

1.2. Конфликтующая пара
 

Изделие — две соседние пары ножка-полочка.
Инструмент — жидкая смачивалка.

 

Примечание. Так как на плате расположено много пар выводов и контактных площадок, то нам достаточно проанализировать две соседние пары.

 

1.3. Графические схемы ТП-1 и ТП-2.
 

ТП-1: «сильная» смачивалка

 

Смачивалка полезно действует на пары ножка-полочка, соединяя их, и вредно: образуется «вредилка» между соседними парами.

 

 

ТП-2: «слабая» смачивалка

 

Смачивалка не образует «вредилок», но и не соединяет ножки с полочками.

 
 
 
 
 
1.4. Выбор схемы конфликта
 

Главный производственный (технологический) процесс — соединение ножек с полочками.

Выбранная конфликтная схема — ТП-1.

 

1.5. Усиление конфликта
 

Будем считать, что вместо «смачивалки с сильными смачивающим свойством» в ТП-1 действует «универсальная смачивалка».

Примечание. Такая смачивалка способна смачивать любую поверхность и, следовательно, она может соединять всё что угодно. Эта универсальная смачивалка смачивает всю плату.

 

1.6. Формулировка модели задачи
 

1.6.а Даны две соседние пары ножка-полочка и универсальная смачивалка.

1.6.б Универсальная смачивалка гарантированно соединяет ножки с полочками, но при этом гарантировано образуется «вредилка» (между двумя соседними парами ножка-полочка).

1.6.в Необходимо найти такой икс-элемент, который, сохраняя способность универсальной смачивалки соединять ножки с полочками, предотвращал бы образование «вредилки».

 

1.7. Применение стандартов
 

Примечание. Шаг был специально мной пропущен.

 

Часть 2. Анализ модели задачи
 
 
 
2.1. Оперативная зона (ОЗ)
 

Оперативная зона (зона смачивания) состоит из двух частей:
ОЗ 1 — пространство между полочками перед грязью.
ОЗ 2 — пространство, охватывающее ножки перед полочками.

 

2.2. Оперативное время (ОВ)

Примечание. При пайке волной различают три стадии.

- Припой последовательно смачивает сначала первый вывод, затем загрязненный участок, потом второй вывод.

- Плата с выводами покидает зону смачивания. Между выводами и контактными площадками остаются капли жидкого припоя, а на грязи остается тонкий слой жидкого припоя. 

- Припой застывает: между выводами и контактными площадками образуется контакт, а тонкий слой припоя на грязи становится перемычкой.

 

Конфликтное время Т1 — время от момента начала процесса смачивания до момента застывания смачивалки с образованием «вредилки».

Это время можно разбить на три фазы:
1Т1 — время смачивания, т.е. от начала смачивания пар ножка-полочка и грязи до момента начала их выхода со слоем смачивалки «на воздух».
2Т1 — время ожидания, т.е. от начала выхода слоя смачивалки «на воздух» до начала застывания смачивалки.
3Т1 — время застывания, т.е. от начала застывания слоя смачивалки до образования «вредилки».

Время до конфликта Т2 — время до момента начала процесса смачивания.

Время после конфликта Т3 — время после образования «вредилки».

Примечания.

- Период времени 1 Т1. Именно здесь причина будущей проблемы — припой смачивает грязь, сцепляется с ней. Решить задачу в её «корне» вполне логично.
- Период времени 2 Т1. Слой припоя, «прилипший» к парам ножка-полочка и грязи, уже вне основного потока, т.е. находится на воздухе и «готовится» к началу затвердевания. Пусть это и следствие первого периода, но и здесь еще не всё потеряно для поиска решений: пока припой жидкий есть шанс предотвратить образование перемычки.
- Период времени 3 Т1. Этот период сверхскоротечен по сравнению с двумя предыдущими. Его даже можно рассматривать как часть второго периода.

1 > 2Т1 > 3Т1

2.3. Список вещественно-полевых ресурсов (ВПР)
ВПР системы

ВПР инструмента:

- Турбулентное движение смачивалки.

- Тепловое поле смачивалки.

- Силы сцепления смачивалки (смачивание).

- Силы поверхностного натяжения.

- Окисная пленка на поверхности смачивалки.

 

ВПР изделия:

- Выступающая над пластиной часть ножки (форма, размер).

- Материал и размер полочки

 

ВПР внешней среды:

- Грязь на поверхности пластины (её свойства, размеры, форма).

- Испарения смачивалки.

- Фоновые поля.

 

ВПР надсистемы:

- Отходы — бракованные платы.

- «Копеечные» — атмосфера на участке пайки, искусственное освещение.

- Поток теплого воздуха системы просушки пластин.

- Разные вещества системы промывки (обезжиривания) пластин.

 

ЧАСТЬ 3. Определение ИКР и ФП

 

3.1. Формулировка ИКР-1

 

Формулировка ИКР-1 для оперативного времени «время смачивания»

 

Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ 1 (пространство между полочками перед грязью) в течение времени смачивания (ОВ 1Т1), предотвращает (или устраняет) смачивание грязи, сохраняя способность универсальной смачивалки смачивать ножки и полочки в пределах ОЗ 2 (пространство вокруг ножки перед полочкой).

 

3.1.2. Формулировка ИКР-1 для оперативного времени «время ожидания»

 

Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ 1 (пространство между полочками перед грязью) в течение времени ожидания (ОВ 2Т1), устраняет слой смачивалки с грязи, сохраняя способность универсальной смачивалки смачивать ножки и полочки в пределах ОЗ2 (пространство вокруг ножки перед полочкой).

 

3.2. Усиленный ИКР-1

 

3.2.1. Формулировка ИКР-1 для ВПР инструмента, ОВ — время смачивания

 

Икс-элемент — поток смачивалки (некий, измененный, вообще).

Поток смачивалки, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ 1 (пространство между полочками перед грязью) в течение времени смачивания (ОВ 1Т1) САМ предотвращает (устраняет) смачивание грязи, сохраняя способность универсальной смачивалки смачивать ножки и полочки.

 

3.2.2. Формулировка ИКР-1 для ВПР грязи, ОВ — время смачивания

 

Икс-элемент — слой грязи (некий, измененный, вообще).

Слой грязи, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ 1 (пространство между полочками перед грязью) в течение времени смачивания (ОВ 1Т1) САМ предотвращает смачивание грязи, сохраняя способность универсальной смачивалки смачивать ножки и полочки.

 

3.2.3. Формулировка ИКР-1 для ВПР внешней среды, ОВ — время смачивания

 

Икс-элемент — испарения (некие, вообще).

Испарения, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ1 (пространство между полочками перед грязью) в течение времени смачивания (ОВ 1Т1 )САМ предотвращает смачивание грязи, сохраняя способность универсальной смачивалки смачивать ножки и полочки.

 

3.2.4. Формулировка ИКР-1 для ВПР надсистемы, ОВ — время ожидания

 

Икс-элемент — поток газа (некий, измененный, вообще).

Поток газа, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, в пределах ОЗ 1, (пространство между полочками перед грязью) в течение времени ожидания (ОВ 2Т1) САМ устраняет сцепление смачивалки с грязью, сохраняя способность универсальной смачивалки сцепляться с ножками и полочками.

 

3.3. Физическое противоречие на макроуровне

 

3.3.1. Формулировка ФП для ВПР инструмента, ОВ — время смачивания

 

Поток смачивалки в зоне смачивания во время смачивания должен быть «непропускающим», чтобы не образовался слой смачивалки на грязи, и должен быть «пропускающим», чтобы образовался слой смачивалки на ножках и полочках.

 

3.3.2. Формулировка ФП для ВПР грязи, ОВ — время смачивания

 

Слой грязи в зоне смачивания в течение времени смачивания должен быть «непропускающим», чтобы не образовался слой смачивалки на грязи, и должен быть «пропускающим», чтобы образовался слой смачивалки на ножках и полочках.

 

3.3.3. Формулировка ФП для ВПР внешней среды, ОВ — время смачивания

 

Испарения в зоне смачивания в течение времени смачивания должны быть «непропускающими», чтобы не образовался слой смачивалки на грязи, и должны быть «пропускающими», чтобы образовался слой смачивалки на ножках и полочках.

 

3.3.4. Формулировка ФП для ВПР надсистемы, ОВ — время ожидания

 

Поток газа в зоне смачивания в течение времени ожидания должен быть «разрушающим», чтобы удалить слой смачивалки с грязи, и должен быть «созидающим» (нейтральным), чтобы не удалить смачивалку с ножек и полочек.

 

3.4. Физическое противоречие на микроуровне

 

3.4.1. Формулировка ФП для ВПР инструмента, ОВ — время смачивания

 

В потоке смачивалки во время смачивания в зоне смачивания должны быть силовые частицы, чтобы не пропускать смачивалку к грязи, и должны быть «бессильные» частицы, чтобы пропускать смачивалку к ножкам и полочкам.

 

3.4.2. Формулировка ФП для ВПР грязи, ОВ — время смачивания

 

В слое грязи во время смачивания в зоне смачивания должны быть силовые частицы, чтобы не пропускать смачивалку к грязи, и должны быть «бессильные» частицы, чтобы пропускать смачивалку к ножкам и полочкам.

 

3.4.3. Формулировка ФП для ВПР внешней среды, ОВ — время смачивания

 

В испарениях в зоне смачивания во время смачивания должны быть силовые частицы, чтобы не пропускать смачивалку к грязи, и должны быть «бессильные» частицы, чтобы пропускать смачивалку к ножкам иполочкам.

 

3.4.4. Формулировка ФП для ВПР надсистемы, ОВ — время ожидания

 

В потоке газа в зоне смачивания во время ожидания должны быть толкающие частицы, чтобы разрушить (удалить) смачивалку с грязи, и должны быть «нетолкающие» частицы, чтобы не удалить смачивалку с ножек и полочек.

 

3.5. Формулировка идеального конечного результата ИКР-2.

 

3.5.1. Формулировка ИКР-2 для ВПР инструмента, ОВ — время смачивания

 

Силовые частицы потока смачивалки во время смачивания должны САМИ отталкивать смачивалку от грязи, не мешая смачивалке смачивать ножки и полочки.

 

3.5.2. Формулировка ИКР-2 для ВПР грязи, ОВ — время смачивания

 

Силовые частицы слоя грязи во время смачивания должны САМИ отталкивать смачивалку от грязи, не мешая смачивалке смачивать ножки и полочки.

 

3.5.3. Формулировка ИКР-2 для ВПР внешней среды, ОВ — время смачивания

 

Силовые частицы испарений во время смачивания должны САМИ отталкивать смачивалку от грязи, не мешая смачивалке смачивать ножки и полочки.

 

3.5.4. Формулировка ИКР-2 для ВПР надсистемы, ОВ — время ожидания

 

Толкающие частицы потока газа во время ожидания должны САМИ удалять смачивалку с грязи, не мешая смачивалке удерживаться на ножках и полочках.

 

3.6. Применение стандартов

 

Анализ трех первых ИКР-2, показывает, что с точки зрения Стандартов они идентичны: между двумя веществами (припоем и платой) возникают сопряженные полезное и вредное действия. Воспользуемся подклассом 1.2 «Разрушение веполей».

Рассмотрим возможные идеи решения задач, сформулированных в виде ИКР-2.

 

3.6.1. Поток смачивалки

 

Для данного случая, если следовать сути стандарта 1.2.2., когда «...вводимое новое вещество, является видоизменением одного из данных», интерес представляет идея, когда в существующий поток припоя ввести еще один: он будет защищать грязь от контакта с припоем или, если контакт происходит, удалять образующийся слой на грязи.

Вариант «защиты» менее перспективен: интенсивное перемешивание припоя вряд ли даст возможность использовать два вида припоя (один как видоизменение другого).

Вариант «удаления» весьма вероятен. Здесь наводкой служит тот факт, что припой в зоне контакта вывода с контактной площадкой более устойчивый к воздействию на перемещение. Другое дело припой на грязи: это тонкая пленка. Её куда проще удалить. Значит, нам нужен один поток припоя для создания контактов, а второй для удаления пленки между этими контактами. Точнее, следуя «букве» стандарта, припой будет один, но вести он будет себя по-разному. Например, изменяя режимы пайки. Реализуемо ли это технологически?

Анализ литературы по пайке волной дал удивительный результат. Действительно существует современный метод пайки — пайка двойной волной припоя.

Читаем из «классики»:

«... Первая волна делается турбулентной и узкой. Она исходит из сопла под большим давлением. Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей»...

 

3.6.2. Слой грязи

 

Ситуация с этой задачей несколько менее понятна, чем предыдущая. Хотя здесь явно видится «защитная» особенность «новой» грязи: предотвратить контакт припоя с грязью в зоне смачивания.

Что есть эта грязь: видоизменение имеющейся на плате, а может окислы припоя рассматривать как грязь? Пока очевидно другое. Эта грязь должна быть исключительно в зоне смачивания перед существующей грязью и никак не закрывать выводы и контактные площадки.

Более того «новая» грязь должна появляется перед моментом контакта припоя с грязью на плате. Потом она должна исчезнуть. Получается, что мы что-то заранее вносим в зону пайки, потом убираем.

По сути, это близко к нанесению на плату специальных масок, но в нашем случае это запрещено (требования задачедателя). Тогда что?

Здесь нужно вспомнить, что представляет печатная плата. Это пластина с множеством выступающих из неё выводов микросхем (и не только). А теперь представим, что «новая» грязь должна быть абсолютно между каждой парой выводов. Еще лучше эту ситуацию нарисовать на бумаге.

По отдельности никто «новую» грязь не будет размещать на плате. Надо быстро это сделать. Значит кусочки «грязи» должны быть соединены между собой.

Если мысленно соединить эти кусочки линиями, то получиться ....да, обычная сетка с мелкой ячейкой. Вот вам и решение: перед процессом пайки необходимо установить со стороны выводов соответствующую сетку. Она и выполнит функцию слоя «новой» грязи: предотвратит контакт припоя с грязью между выводами и не будет мешать пайке выводов.

Данное решение оказалось далеко от идеального. Мы ввели абсолютно новый элемент — сетку. Но сетка вещь дешевая и доступная на предприятии. Она из «надсистемы». А это не запрещено. Решение вполне приемлемое.

 

3.6.3. Испарения

 

Идея использовать испарения интересна. Они есть: испарения самого припоя или грязи при контакте с припоем. Но они неэффективны, слабы. Иначе не возникла бы задача. Вводить специальную добавку в припой нельзя, т.к. это может вызвать ухудшение процесса пайки в целом. А если использовать некое вещество, которое при сгорании даст нужный эффект: образовавшийся газ не даст соприкоснуться припою с грязью. Что это за вещество?

Подсказка есть: флюс при сгорании образует газовые пузыри. С этим даже борются, т.к. пузыри препятствуют образованию контакта между выводами и платой. Мы же обратим вред в пользу. Для этого тонкий слой флюса надо нанести между выводами микросхем.

Решение не идеальное, но флюс есть, как ресурс, в системе. Технологически это тоже реализуемо.

 

3.6.4. Поток газа

 

Это задача отличается от предыдущих тем, что нам предстоит бороться с уже образовавшейся пленкой припоя на грязи, тогда как в трех первых задачах, мы предотвращали образование этой пленки.

В связи с этим класс стандарта меняется. В нашей ситуации это стандарт 1.1. «Синтез веполя»: есть вещество (пленка припоя), требуется поле для его обработки (удаления).

 

Итак.

Припой уже на ножках и контактных площадках, и на грязи, но вне основной волны припоя. Время, в течение которого припой будет оставаться жидким, мало, но не настолько, чтобы не предпринять какие-либо действия по удалению припоя с грязи. При этом припой на выводах не должен «пострадать».

 

Какие идеи?

 

Для этого надо учесть: силы сцепления припоя с выводами и контактными площадками больше, чем силы сцепления припоя с грязью — площади контакта достаточно отличаются.

 

Идея 1 — ввести вибрацию.

 

При определенной частоте и амплитуде колебаний платы пленку припоя можно стряхнуть с грязи. Но вибрация может ухудшить условия образования контакта выводов с платой. Не подходит ... А если вибрацию локализовать в зоне грязи?

Слишком мало расстояние между выводами. Тоже не подходит.

 

Идея 2 — сдуть пленку припоя с грязи.

 

Чем? Как правило, на участках пайки есть системы для просушки плат. Там используется поток теплого воздуха. Вот и надо направить его в зону расположения пленки. Реально ли это?!

Из анализа литературы по пайке волной:

... Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным «ножом», который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя.

«Нож» располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым, разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

 

Выводы

     

- Если учесть, что я не являлся специалистом в области технологии пайки, то все идеи, полученные с помощью АРИЗ, оказались работоспособными и, в целом, повышали эффективность производства печатных плат.

     

- Последующий анализ литературы, связанной с вопросами производства плат, показал, что АРИЗ позволил «проскочить» мимо тривиальных решений (сложных, компромиссных), а полученные идеи отражали современный уровень технологии пайки волной.

     

- Учитывая ряд трудностей «местного» значения, задачедатель (мастер участка пайки волной) остановил свой выбор на самом простом и эффективном, по его мнению, способе борьбы с перемычками — использование мелкоячеистой сетки.

Для кого:  Инженер,Предприниматель

Тип решаемой задачи:  Химия,Физика,Техника

Приобретаемые навыки:  решение задачи

Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
(Голосов: 0, Рейтинг: 0)



Добавить комментарий:

Комментарии:

    Для кого:  Инженер,Предприниматель

    Тип решаемой задачи:  Химия,Физика,Техника

    Приобретаемые навыки:  решение задачи

    Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
    (Голосов: 0, Рейтинг: 0)



    Добавить комментарий:

    Комментарии: