TRIZ创新理论在磁头焊接工艺中的应用研究

邓晓膺 王丽坡 黄小华

摘 要：发明问题解决理论TRIZ通过总结专利文献，提出技术矛盾、发明原理、物理矛盾、物场模型、技术进化法则等工具和方法，对科技创新提出了一套科学的理论和方法。文章从TRIZ理论出发，研究如何运用技术矛盾、物理矛盾和物场模型工具来解决硬盘磁头焊接工艺中的实际难题，提升了产品的质量，降低了制造成本，提高了企业的竞争力。

关键词：硬盘磁头;焊接;TRIZ理论;技术创新

1 概述

硬盘的关键部件之一就是磁头，磁头的加工工艺直接影响到硬盘的寿命，读写的速度也会影响到顾客的体验和最终的销售。磁头的微连接工序焊接工序是磁头加工的关键工序之一，在微米级的部件上焊接，对焊接精度要求非常高。将TRIZ理论应用于磁头焊接工序，有助于提高焊接产品品质，提升生产效率，降低生产成本。

2 科技创新与TRIZ理论

科技创新对企业、国家来讲至关重要，为了提升国家科技创新能力，需要科学高效的创新方法和工具来指导我们的科技创新活动。

20世纪50年代末，前苏联的根里奇.阿奇舒勒为全新的发明问题解决理论（TRIZ）奠定了基础。在他的带领下，与苏联专家们一起，经过50多年对数以百万计的专利文献加以研究、整理、归纳和提炼，建立起一整套、实用的TRIZ理论[1]。

TRIZ产生和运用都是建立在唯物辩证法认识论上“从特殊到一般，又从一般到特殊”的基础之上。事物发展的根本原因不是在事物的外部而是在事物的内部，在于事物的内部矛盾性。事物内部的矛盾性是事物发展的根本原因[2]。

本文就在硬盘磁头焊接工艺改进过程中，应用TRIZ的一些相关工具和方案做一些探讨，希望对从事科技创新的工作者能有一些启发。

3 TRIZ理论方法在磁头焊接工艺改进中的应用

3.1 系统工作原理与问题描述

在硬盘磁头折片的制造过程中，使用喷射锡球系统将磁头焊位和软线路板的焊位进行连接。喷射锡球焊接广泛运用于电子行业的微连接，但大都面临定位精度不足的问题，需要频繁更换喷射焊嘴，由于喷射焊嘴成本高，造成制造成本高。造成定位精度不足有以下可能原因，喷射焊嘴端部孔径变大，孔变形，孔内壁粗糙度变大等多个方面，喷射的工作原理如图1所示。我们要解决喷射锡球的定位精度，使锡球准确喷射到焊接位，将焊位进行连接，首先是用TRIZ理论找到根本原因，然后针对原因提出对策，并进行验证。

锡球的传送：锡球通过送球机构被送入焊嘴，焊嘴端部的孔径小于锡球的直径，在气压的作用下，锡球保持在焊嘴的端部。

激光熔化锡球：打开激光，激光作用锡球上，锡球吸收能量，温度上升，熔化，在气压的作用下，熔化的锡球被喷出。

喷射焊接位：熔化的锡球被喷射在焊接位上扩散，凝固后将焊接位连接。

3.2 原因分析

焊嘴孔发生了变形，焊嘴孔发生变形由两个直接原因，原因一受到了大的冲击力，原因二焊嘴颗粒的黏合力不足。

对于焊嘴受冲击力大是因为一部分原因由于氮气压力大造成冲击力大，另外一部分是由锡球与焊嘴的接触面积大，黏合度也大造成锡球表面张力增大，从而带来了大的冲击力。

此外，激光强度高，频率高，带来了激光周期性的热应力大，应力大也给焊嘴带来了大的冲击力。

对于焊嘴颗粒黏合力不足带来焊嘴孔变形主要是由于焊嘴的钴的含量比较低，钴和钨的混合也不均匀。由于钴钨含量关联到焊嘴材料设计，需要外部供应商协助，将作为第二步研究工作。

3.3 技术矛盾理论解决应力大给喷嘴产生大的冲击问题

技术矛盾是指对技术系统某一方参数进行改善时，会引起另一方参数恶化。恶化一方究竟恶化了什么，对于一个具体的技术矛盾是可以客观判断的，有时一方的改善可能产生几方面的恶化，形成几对矛盾。解决技术矛盾就是要消除恶化，是双方的要求得到满足[3]。

具体做法，首先把具体的技术矛盾两个参数转换成通用工程参数;然后通过查看矛盾矩阵找到解决这个矛盾可参考的创新原理，最后在从中选择恰当的创新原理形成概念方案，就完成了从特殊到一般的过程，再从一般到特殊的过程。

根据因果分析，热应力大的原因是激光强度大。通过减少激光强度可以减少应力，但会增加激光作用时间，影响生产效率，增加成本。改善技术参数应力和压强，恶化技术参数作用时间。在矛盾矩阵上纵坐标对应的技术参数11压力/压强，横坐标对应的技术参数15作用时间。对应的发明原理有：原理19局部周期性作用，原理3局部质量，原理27廉价替代品。

发明原理19周期性作用有3个提示，采用发明原理19周期性作用提示1：用周期性动作或脉冲代替连续性动作。生成的实用解决方案一为：降低激光强度，从一次施加激光改为多次施加激光。

发明原理3局部质量也有3个提示，采用发明原理3局部质量提示3：让物体的各部分，均处于完成各自动作的最佳状态。生成的实用解决方案二为：定期对焊嘴端部进行退火处理，以消除应力。

3.4 物理矛盾解决焊嘴孔与锡球接触面积大的问题

物理矛盾就是技术系统在某个参数上提出相反要求。由于物理矛盾相反要求的每一方，一般都是处于某种条件下，如时间或空间上的条件或其他不同的条件，一般采用分离方法来解决矛盾。通常使用的分离方法有四大类：空间分离、时间分离、条件分离和整体与部分分离。然后根据所选的分离方法对应的发明原理生成解决方案。

根据因果分析，焊嘴孔表面张力大的原因是锡球的黏度大。通过减小锡球的黏度可以减小表面张力，但会减小焊接的強度。

物理矛盾：黏度既要小又要大。小：优点是张力小，缺点是强度小;大：优点是强度大，缺点是张力大。

尝试进行时间分离：时间1：锡球融化阶段，应力小。

时间2：锡球黏合阶段，强度大。

通过技术矛盾的创新原理给我们的提示（借助中介物原理），生成的实用解决方案三：在锡球表面镀上涂层，锡球熔化后涂层材料扩散到焊嘴内壁，减小表面张力，锡球本身的黏度不变，熔化后焊接强度不变。

3.5 物场模型工具消除锡球对焊嘴的吸附作用

物质场模型分析是TRIZ理论中的另外一个重要的问题构造、描述和分析的工具。通过构建物场模型，揭示出技术系统的功能机制，找出技术系统中不同元素之间发生的不良作用（包括不足的、有害的、过度的和不需要的相互作用），然后查询76个标准解来找到通用解法，再在这基础上生成具体实用方案。

首先构建物场模型来消除锡球对焊嘴吸附作用，如图3所示。

三个基本要素：接收体是焊嘴S1，执行体是锡球S2，相互作用场力场F1。锡球S1激光加热后融化产生的热力场F1对焊嘴产生有害作用，产生应力对焊嘴产生冲击。

锡球对焊嘴的作用有害，是有害完整模型，引入新的物质S3消除有害作用（S1.2.1），拆解物场模型。查询76个标准解，采用提示No.11切断有害作用。

生成的实用解决方案四：在焊嘴内壁加纳米材料镀层，来消除锡球对焊嘴的吸附作用。

4 结语

本案例与实际生产中存在的问题解决很好的证明了TRIZ的作用，案例中采用了技术矛盾、物理矛盾以及物场模型等分析工具。根据40个发明原理和76个标准解给出改善思路，找到了切实可行的改善方案。经过逐一对各个方案的验证，降低激光能量从一次施加激光改为多次施加激光和定期对焊嘴端部进行退火处理，以消除应力已经被采用。对于焊嘴内部喷涂材料和对锡球表面进行镀层正在试做样品效果验证中。对先被采用的两个方案，经过半年的运行，良品率提升了0.1%，焊嘴的寿命也提升了1.2倍，预估每年经济收益150万元，已经推广应用。

随着TRIZ工具在工作中的不断应用，将会为企业解决技术难题带来更多更大的帮助，为企业的科技创新带来更大的价值。

参考文献：

[1]林岳，等.创新方法教程（初级）[M].北京：高等教育出版社，2012：38-39.

[2]廖志鹏.企业核心竞争力与技术创新辨析[J]发明与创新，2005（7）：4-6.

[3]王传友.TRIZ新編创新40法及技术矛盾与物理矛盾.西安：西北工业大学出版社，2010.9：22-23.