TRIZ (Theory of the Solution of Inventive Problems)冲突解决原理的柔性设计创新方法*
于慧伶1，崔姗姗2
(东北林业大学 信息与计算机工程学院，黑龙江省 哈尔滨市 150040 )
摘要:随着微机电系统和TRIZ的迅速发展，柔性设计被越来越多的应用到微型电子器件中。在封装、焊接过程中，由于芯片材料和衬底材料之间热膨胀系数的不匹配，导致在外界温度变化时的应力释放对芯片造成损伤。因此利用焊接方法、柔性设计、温度控制以及结合TRIZ理论来解决此问题是非常必要的，如下图1所示。以红外遥感器的芯片为研究对象,提出了基于TRIZ 冲突解决原理的柔性设计创新方法，用TRIZ冲突矩阵来表达冲突参数和解决原理间的关系，据此求出焊接工艺问题的一般解，得到焊接工艺创新问题的求解方法。经过分析得出，增加芯片折叠长度和减少折叠间距可以解决LED芯片变形问题，进而解决红外摄像机寿命短的问题，并且促进倒装焊接技术的发展，继而推动TRIZ理论在林业装备的进一步应用研究。
关键词: TRIZ冲突矩阵；热膨胀系数；倒装焊接；傅里叶定律；参数变化
Research on flexible design innovation method based on the principle of TRIZ conflict resolution
Yu Huiling1, Cui Shanshan2
(Department of information and computer engineering, Northeast forestry university, China
Harbin city of Heilongjiang Province, 26 Hexing Road, Xian fang District, Northeast forestry university, 150040, email:cuishanshan510122@163.com)
Abstract： With the advancements of MEMS foundry services and TRIZ tools, the flexure design in MEMS devices can be cost-effectively designed. In the process of welding, due to a difference in thermal expansion coefficients between the flip-chip bonded MEMS device and the substrate, cooling after bonding can cause the MEMS to buckle. It is therefore necessary to decrease the influence of distortion by using the correct material selection, welding method, weld design, fixture design, temperature control and TRIZ. As is shows in figure 1. This paper regards the led of infrared camera as the research object. Put forward the flexure design innovation method based on the principle of TRIZ conflict resolution. By way of finding the optimization of the parameters and the deterioration of the parameters in conflict matrix, we can seek out principles that can solve the problem .It can be concluded that an optimal flexure design will include the longest fold length and smallest fold spacing possible. By solving the deformation problem of MEMS devices can promote the development of flip chip technology, and make for the further application of the TRIZ theory in the study of forestry equipment.
Keywords: TRIZ conflict matrix; coefficient of thermal expansion; pile welding; Parameter changes
图1焊接设计连接
1引言
MEMS(Micro-electromechanical Systems)是由半导体制造技术发展而来，采用类似集成电路技术制造的微机电系统。随着集成电路的集成度和性能一直在按照摩尔定律不断地提高的同时[1-3]，MEMS试图将机械元件或系统、传感器、驱动器与仪器设备也微小化，可以预见未来MEMS将对人类社会产生另一波重大的影响。MEMS封装技术虽然是在微电子封装技术上发展过来的，显然两者具有相似之处，但是基于MEMS 器件通常包含微可动结构，以及对真空、应力隔离、气密性等方面的要求，MEMS 封装技术具有自身的特殊性和复杂性，并且微机电系统器件的形式多样、结构复杂且非标准化，以上都对封装技术提出了严峻的挑战。封装过程最关键的问题是防止器件由于热失配而产生过多的应力导致可靠性下降，或者由于加热而导致MEMS器件的变形。为了解决以上问题，TRIZ和柔性设计被应用到MEMS技术封装过程中。本文以红外摄像机的LED为研究对象，结合TRIZ冲突矩阵(表1)，分析恶化参数、优化参数，找到对应原理对器件的键合失效进行分析研究。
2 TRIZ理论基础
TRIZ的含义是冲突解决原理，是一门科学的创造方法学。TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决问题，未克服矛盾的设计不是创新设计，设计中不断发现并解决矛盾，是推向产品向理想化方向进化的动力[4-8]。TRIZ 分析工具包括ARIZ算法、物质-场分析、冲突分析和功能分析, 这些工具用于问题模型的建立、分析和转换。
表1：TRIZ冲突矩阵
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恶化的参数 |
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1静止物体的重量 |
… |
39生产率 |
创新原理 |
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优化的
参数 |
1静止物体的重量 |
--- |
… |
35,3
24，37 |
分隔 |
1 |
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… |
… |
--- |
… |
… |
… |
|
39生产率 |
… |
… |
--- |
复合材料法 |
40 |
技术冲突分析过程中, 控制参数取值不同(值1或值2 )分别会产生不同的技术冲突(冲突1和冲突2 )，选取要改善性能参数后确定技术冲突原理, 然后应用冲突矩阵表和发明原理形成创新原理解决办法, 如下图2所示。
图2冲突分析过程
3柔性工艺创新方法
3.1倒装焊接技术
倒装焊接是将芯片电极面朝下放置，使芯片电极对准基板上的对应焊区，并通过加热、加压等方法使芯片电极或基板焊区上预先制作的凸点塌陷或熔融后将芯片电极与基板对应焊区牢固地互连焊接在一起。倒装焊接的优点：①消除了对引线键合连接的要求，缩短了互联距离。②提高了输入/输出(I/O)密度。③在电路板上占用空间小。④符合当前微电子封装高密度和小型化的趋势。在倒装TAB焊接中，芯片在衬底上倒过来安装，如图4所示的倒装与图3的普通TAB相比，最大的优点在于可将芯片紧贴到金属盖上[9-11]，已得到更有效的热控制。倒装芯片焊料凸点的节距、直径、高度的减小，芯片厚度的变薄，形状因子的变小等技术的发展将持续推动底部填充的材料、工艺的, 不断创新。
图3 TAB 面朝上
图4 倒装TAB （面朝下）
3.2红外摄像机键合失效的原因
尽管倒装TAB有很多优点，也成为很多器件应用的潮流，但芯片尺度的进一步缩小恶化了封装机械的可靠性。倒装焊接向凸点高密度、超细间距发展，芯片功耗及功率密度更大，尺度效应和表面效应也更加明显，热、应力失配更加严重，更容易导致封装界面变形、弯翘或划伤，应力过分集中从而发生键合失效。
红外摄像机键合失效的原因主要在于LED封装的散热问题，散热问题影响到“发光二级管”—LED（Light Emitting Diode）的光输出特性和器件的寿命。由于有机基板与芯片的热膨胀系数无法保证完全匹配，在LED焊接结束后，急冷时，由于表面与内部的冷却状态不同而有温度差，导致回流焊和温度循环时在焊球处产生很大的应力，随着时间的推移，产生了热应力以及最终状态的残余应力。当外表与心部的温度差达到最大时，LED外表和心部的热应力与压应力也随之增加；由于温度降低，两部分的应力也随之减小，在到达最大状态时，外表层承受的拉伸应力超过了屈服应力，所以外表在冷却时发生形变，从而引起LED器件键合失效引起LED器件键合失效的原因也可用热剪切力形变公式来描述[12]。
（1）
S 代表热剪切力形变，D 代表芯片对角线长度，d 代表焊层厚度，Δα代表芯片与基底材料的热膨胀系数之差。在公式可以看出S与Δα成正相关，Δα越大，热剪切力形变越大。越容易引起器件键合失效。
3.3红外摄像机键合失效的解决
残余应力与热应力同属零件内应力。当发生键合失效时，在残余应力与热应力的影响下，零件由原尺寸的r变为r1，在零件上加上与残余应力大小相等、方向相反的力，即
、-
、
，则零件径向尺寸有r1变为r[13]。
空间应力的方程如（2-1）所示，
其中公式中, E ---材料弹性模量；
---材料泊松比。
空间应力的轴对称方程如（2-2）所示，
（2-2）
由式（2-1）、（2-2）解得：
式（2-3）即为设备中零件失效处理后的零件变形的理论数学模型。
本文以红外摄像机的LED为研究对象，结合影响焊接工艺的冲突参数、柔性设计[14]和零件变形的理论数学模型，得出改变折叠长度、折叠间距和折叠个数可以解决这个问题，折叠长度、折叠间距和折叠个数如下图5所示。
图5 柔性设计的参数
根据上述求解的基本步骤，论述基于TRIZ冲突解决原理的方法在处理焊接工艺问题时需要解决的基本要素。倒装焊接工艺创新方法的基本要素包括冲突参数和解决原理。倒装焊接工艺冲突参数是指具有相反行为特征的参数，利用这些参数在冲突矩阵中找到解决原理。通过技术分析和抽象，总结出了10个倒装焊接工艺冲突参数和若干个倒装焊接工艺解决原理。实际应用中，将组成冲突的双方内部性能用该10个参数中的2个来表示，并用这2个冲突参数对应冲突矩阵找到冲突原理。其具体内容如表2、3所示。
应用于倒装焊接工艺的冲突参数，一部分来自TRIZ 理论在倒装焊接工艺领域的描述，一部分来自对倒装焊接工艺方法的概述。在实际倒装焊接中，由于参数本身的特点，焊接工艺冲突矩阵中参数间的冲突关系扩展到参数的内部，即使同一参数间也具有冲突关系。如“速度”参数包含倒装焊接速度、送丝速度、焊丝融化速度、冷却速度等，当改善“速度”参数中的焊丝融化速度时，可能导致焊接速度参数的恶化。这样，创新人员能够更全面的考虑参数间的冲突关系，从而得到体现各参数综合性能的最佳创新解。
表2：焊接工艺冲突参数
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序列号 |
参数 |
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 |
静止物体的重量
静止物体的面积
静止物体的体积
应力或压力
结构的稳定性
可靠性
可制造型
可操作性
可维修性
适应性与多用性 |
为了能很好地解决这个问题，上述所描述的10个冲突参数所对应的冲突关系如表3所示，行代表优化参数，列代表恶化参数。该表列出了解决参数间冲突的部分推荐解决原理，排在前面的数字为推荐优先选择的原理序号。
表3：焊接工艺冲突矩阵
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恶化参数 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
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优化参数 |
1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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35,2 |
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35,1 |
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5 |
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6 |
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7 |
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8 |
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9 |
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10 |
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从上述表3看出，有2对冲突参数可以解决这个问题，我们分别一一探讨一下。
①通过增加折叠长度来解决器件变形
微尺度下原子的强烈振动体现了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量的传递有4种形式，热传导、自然热对流、强迫热对流和辐射，其中热传导是固体通过媒介传递的主要方式[15,16]。介绍一下热传导：
（3）
在这个公式中，q是热传导沿着给定方向的热流密度
是热对流的热传系数
，
是温度梯度。我们可以明显的看出温度梯度越大，热流密度就愈大，越易引起器件的变形，从这也能解释其变形的原因。柔性设计中可以改变折叠长度，进而解决器件变形问题。优化的参数是应力与压力（4），恶化的参数是静止物体的体积（3），在冲突矩阵表3中找到对应原理是改变参数（35）。
在理论上先给予证明，运用公式来解释此解决办法的合理性。
（4）
其中，Ws是剪切力载荷，A是截面积，
是热剪切应力。热剪切应力与面积成反比，增加折叠长度时，会引起面积的增加，面积增加会使得热剪切应力减小。因此，在柔性设计中可以利用增加折叠长度来解决器件变形的问题。
在理论上，已经证明其方法的合理性，下面在通过实验来证明。在不同的温度下，改变折叠长度可以得到其变形量（ 如表4、5所示）。可以得出
变形量并不与折叠长度成正比例，也就是说，当折叠长度超过一个值时，变形量就会下降。然而增加折叠长度会引起面积的增加，我们通过实验同样证实了方法的可行性。
表4: 热变形为0.7℃时的热变形的测量值
|
长度（mm） |
0 |
8 |
16 |
|
变形量（um） |
0 |
2.9538 |
4.3132 |
|
长度（mm） |
24 |
32 |
40 |
|
变形量（um） |
4.8852 |
5.8664 |
8.174 |
|
长度（mm） |
48 |
56 |
64 |
|
变形量（um） |
5.8664 |
4.8852 |
4.3132 |
|
长度（mm） |
72 |
80 |
|
|
变形量（um） |
2.9538 |
0 |
|
表5：热变形为26.7℃时的热变形的测量值
|
长度（mm） |
0 |
8 |
16 |
|
变形量（um） |
0 |
6.8972 |
10.275 |
|
长度（mm） |
24 |
32 |
40 |
|
变形量（um） |
11.454 |
12.606 |
15.325 |
|
长度（mm） |
48 |
56 |
64 |
|
变形量（um） |
12.606 |
11.454 |
10.275 |
|
长度（mm） |
72 |
80 |
|
|
变形量（um） |
6.8972 |
0 |
|
利用表4、5得出，热变形量无论在0.7℃还是在26.7℃都是关于X（折叠长度）=40mm的轴对称图形，即折叠长度关于40mm对称的，变形量都相同。由表4、5可以看出如下图6所示。
图6 方体中面热膨胀差值示意图
②通过减少折叠间距来解决器件变形
在柔性设计中可以利用减少折叠间距来解决器件变形的问题。优化参数是应力与压力（4），恶化参数是可制造型（7），运用改变参数（35）这个原理。在上面所描述的公式1中(S=DΔαΔT/2d)，S与D 成正比例，减少折叠间距长度，芯片对角线尺寸D就会减少，热剪切力相变S就会减少。因此，验证此方法的合理性。
4结论
运用TRIZ冲突矩阵和柔性设计解决变形问题，打破传统办法（忽略了几何形体的特征参数）对其的约束,并且有助于设计人员从多方面考虑其他参数（折叠个数、硬度）对其的影响。利用TRIZ理论解决LED变形问题 ，可以延长热红外摄像机的寿命，促进遥感技术和MEMS技术的发展，这对获取林业信息有很大的帮助，并且推动TRIZ理论在林学设备的应用。
参考文献
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