详解手机设计与制造全流程2：结构设计

欧阳

从构思到量产，详解手机设计与制造全流程
  2手机设计关键步骤之结构设计（MD）  
  结构的细化应该先从整体布局入手,我主张先做好结构的整体规划,即先做好上下壳的止口线,螺丝柱和主扣的结构,做完这三步曲,手机的框架就搭建起来了.再遵循由上到下,由顶及地的顺序依此完成细部的结构,由上到下是指先做完上壳组件,再做下壳组件,由顶及地是指上壳组件里的顺序又按照从顶部的听筒做到底部的MIC,这是整体的思路,具体到局部也可以做一些顺序调整,例如屏占的位置比较大,我可以先做屏,其他的按顺序做下来.请注意,每一个细部的结构尽量做完整再做下一个细部,不要给后面的检查和优化增加额外的工作量.
1.止口线的制作
内部结构开始,先是对上下壳进行抽壳,一般基本壁厚取1.5~1.8mm.上下壳之间间隙为零,前面说过怎样判定主体,主体较厚适宜做母止口,另外一件则做公止口,止口不宜太深,一般0.6mm就够了,为了方便装配,公止口可适当做拔模斜度或导C角.
2.螺丝柱的结构
螺丝柱是决定整机强度的关键,通常主板上会预留六个螺丝柱的孔位,别浪费,尽可能地都利用起来.螺丝柱还有一个重要的作用就是固定主板,主板装在哪个壳,螺丝柱的做法也相应有些变化,螺丝柱不但要和主板上的孔位相配合管住主板,螺丝柱的侧面还要做加强筋夹住主板,这样的结构才牢靠.
3.主扣的布局
4.上壳装饰五金片的固定结构
上壳装饰五金片一般采用不锈钢片或铝片,厚度0.4mm或0.5mm,用热敏胶,双面胶或者扣位固定,表面可以拉丝,电镀和镭雕.其中铝片可以表面氧化成各种不同的颜色,边沿处还可以切削出亮边.
5.屏的固定结构
屏就好象手机的脸,要好好保护起来,砌围墙?对了,就是要利用上壳长一圈围骨上来,一直撑到主板(留0.1mm间隙),把LCD封闭起来,即使受到外力的冲击也是压在上壳的围骨上,因为围骨比屏高嘛.屏的正面也不能与上壳直接接触,硬碰硬会压坏屏,必须在屏的正面贴上一圈0.5mm厚的泡棉,泡棉被压缩后的厚度为0.3mm,所以屏的正面与上壳之间间隙放0.3mm.前面说过整机厚度的计算方法,这里请大家留意一下屏前面部分的厚度是怎么计算的,见附图.
为了方便屏的装入,我们会在围骨的顶部加上导角,当然屏的周围如果有元件还是要局部减胶避开,间隙至少放0.2mm,如果是避让屏与主板连接的FPC,则围骨与FPC间隙要做到1.0以上.
6.听筒的固定结构
听筒是手机的发声装置,一般在屏的顶部,除了需要定位以外,还需要有良好密封音腔,结构上利用上壳起一圈围骨围住听筒外側,和屏的围骨类似,但听筒的围骨不必撑到主板,包住听筒厚度的2/3就足够了.然后上壳再起一圈围骨围住听筒的出音孔,围骨压紧听筒正面自带的泡棉,围成一个相对封闭的音腔,最后在上壳上开出出音孔就行了,上壳出音孔的范围应该是在听筒的出音孔的范围以内.
从外观上看,听筒出音孔位置会做一些简单的装饰,如盖一个网状的镍片(见附图).也可以做一个电镀的塑胶装饰件配合防尘网使用,注意塑胶装饰件通常采用烫胶柱的方式固定,防尘网则贴在听筒音腔的内侧,
7.前摄像头的固定结构
前摄像头位于主板的正面,采用PFC,连接器与主板连接.摄像头的定位也是靠上壳起一圈围骨包住摄像头来定位的.摄像头就象手机的眼睛,为保证良好的拍摄效果,摄像头正面的镜头部分需要有良好的密封结构,防止灰尘或异物进入遮挡了视线,我们借助于泡棉将镜头与机壳的内部分隔开来,外侧则加盖一个透明的镜片,为保证良好的透光性能和耐磨性能,摄像头镜片采用玻璃材质,底部丝印,丝印的目的是为了遮住镜片与壳体之间的双面胶纸,
值得一提的是,摄像头镜片的装配是在整机装配的最后阶段再做的,整机合壳锁完螺丝后,要用吹气枪仔细吹干净镜头,才将镜片通过双面胶粘接在壳体上,盖住镜头.
8.省电模式镜片的固定结构
省电模式镜片用得比较少,有些手机上有省电模式的设置,需要在手机壳上开一个天窗,让里面的感光ID感应到外界的亮度,这就需要在机壳上开孔并加盖镜片,镜片可以用PC片材切割直接贴在机壳外面,也可以做成一注塑成型的导光柱在机壳内侧烫胶固定.
9.MIC的固定结构
MIC位于手机的底部,就想手机的耳朵一样,是把外界声音转换成电信号的元件,因此要让外界的声音毫无阻碍的传递给MIC,同时又要防止机壳内部腔体的声音影响到MIC,结构上起围骨是少不了的了,同时MIC本身要被胶套包裹,只在正前方露一小孔感应声音,正前方还必须与壳体良好的贴合,壳体上的导音孔一般开1.0mm的圆孔.
MIC与主板的连接方式可以是焊线,焊FPC或者穿焊在主板上.
10.主按键的结构设计
手机主按键按厚度分可以分为超薄按键和常规按键,以前做翻盖机,滑盖机的时候因为厚度限制,按键厚度空间连2mm都不到,直接采用片材加硅胶的结构,片材可以是薄钢片或PC片,为了保证按键之间不连动,片材上不同的功能键之间会用通孔分隔开来(如V3手机的主按键就是这样做的),硅胶的作用是为了得到良好的按键手感.
现在市场上以直板机居多,我就以P+R按键为例讲一下主按键的结构设计,把直板机的结构设计工作量分为100份,我认为按键组件的结构设计就占了30%,上壳组件占30%,下壳组件占40%,可见按键的重要性.P+R按键包括键帽组件,支架和硅胶三部分,也有的按键在键帽组件和支架之间加多了一张遮光纸防止按键之间透光.
支架材料则根据按键厚度来定,可以用PC或ABS注塑成型,厚度在0.8-2.0mm;也可以用PC片材直接冲裁,厚度为0.5,0.6或0.7mm;按键厚度不够时,支架材料用0.15mm厚的不锈钢片,但考虑到ESD(静电测试)时钢片对主板的影响,我们需要在钢片两侧弯折出一段悬臂,和DOME片上的接地网导通,或者和按键PCB上的接地铜箔导通,硅胶片厚0.3mm,正面长凸台和键帽粘胶水配合.背面伸DOME柱和窝仔片配合.
11.侧按键的结构设计
侧按键位于手机的左右侧面或者顶侧面,功能通常为音量键,拍摄键,开机键或者锁定键等,结构较主按键简单,主板上做侧按键的位置通常会采用穿焊的方式固定几个侧向触压的机械按键,一个机械按键对应一个功能.机械式侧按键优点是结构简单,手感好.也有做FPC按键的,在主板上预留焊盘位置,采用面焊的方式固定一个FPC按键板,FPC按键板弯折后朝着侧面,按键板上的窝仔片可以感应触压.FPC式侧按键优点是主板不变的情况下侧按键的中心位置可以根据需要稍作调整.
侧按键部分的结构设计通常采用P+R形式,和主按键相比较侧按键不用做按键支架,硅胶部分不可少有助于改善手感不至于偏硬,键帽多带有裙边防止掉出,键帽表面处理可以是原色,喷油或者电镀,由于没有LED灯,侧按键不要求透光,也很少做水晶键帽,功能字符一般采用凹刻的方式做在键帽上.
侧按键的固定是在侧按键的侧面伸一个耳朵出来,然后用壳体伸骨夹住,这主要是在整机的装配过程中防止按键松脱,一旦合壳之后,侧按键的夹持部分就基本不起什么作用了,夹持部分的配合间隙为零.
12.USB胶塞的结构设计
USB胶塞是用来保护USB连接器的盖子,为方便开合,通常采用较软的TPE或者TPU材料,USB胶塞的结构分为本体,抠手位,舌头,定位柱四个部分,颜色为黑色或者采用与壳体接近的颜色,USB的功能字符凹刻在本体上,抠手位可以是伸出式或者挖一块做成内凹式.舌头部分是USB胶塞伸入USB连接器防止松脱的胶骨,定位柱是USB胶塞固定在壳体上的倒扣,可以做成外插式或者直压式(直接卡在壳体之间).
手机上类似的结构还有T-FLASH卡或者SD卡的胶塞,长一点的胶塞还可以做成P+R结构,即本体,抠手部分用硬胶材质,而里面的插合,固定部分用软胶材质,硬胶材质和软胶材质之间用胶水粘合在一起.
13.螺丝孔胶塞的结构设计
手机表面外露的螺丝帽会影响外观,必须用螺丝孔胶塞遮住.电池盖内的螺丝帽可以不做遮蔽.螺丝孔胶塞的结构比较简单,模具可以和USB胶塞放在同一套模里,由模厂制做,螺丝孔胶塞近似于圆柱形,为方便易取,可以掏空内部,螺丝孔胶塞外部的曲面需与壳体轮廓面保持一致,直径尽量做小(比螺丝帽直径大1.0mm即可),如果左右两个螺丝孔胶塞外部的曲面不一样,不能互换,则必须在螺丝孔胶塞的圆柱面上做防呆的凹槽加以区分.
螺丝孔胶塞根据结构的需要可以和螺丝不同轴心做成偏心的,只要能够遮盖住螺丝帽就行.
因为整机拆解必须用到螺丝,所以为了验证手机没有被私自拆开过,有些制造商会在电池盖内的螺丝孔顶上挖一块平台出来加贴一张易碎纸,如果要松掉螺丝孔内的螺丝,就必须破坏掉易碎纸.贴易碎纸的平台必须根据易碎纸的尺寸来设计,平台形状比易碎纸略大,位置比壳体低下去一级,防止手指无意中触及到易碎纸.
14.喇叭的固定结构
手机的音量是强有力的卖点,这对喇叭音腔提出了更高的要求.除了要求方案公司把喇叭本身的出音调到最佳状态之外,喇叭的音腔结构还需注意几点:
a.喇叭的前音腔必须做到封闭.喇叭与壳体直接配合的,喇叭与壳体之间必须加贴环状泡棉封闭,喇叭侧面必须用壳体长环状围骨包围起来,单边间隙留0.1mm.如果喇叭与壳体之间有天线支架隔开,那么喇叭与天线支架之间必须加贴环状泡棉封闭,天线支架与壳体之间也必须加贴环状泡棉封闭,总之让喇叭发出的声音之能通过壳体上的出音孔传出去.
b.喇叭的前音腔高度应大于1.5mm.喇叭的音腔高度是指喇叭的正面到壳体内壁的垂直距离,为了确保足够的喇叭音腔高度,甚至可以把壳体音腔内侧胶厚掏薄至0.6mm.
c.出音孔面积必需达到喇叭出音面积的15%,出音孔面积是出音孔的总面积之和.喇叭出音面积是喇叭正面除去泡棉后的中间部分的面积,喇叭的音腔高度越高,要求出音孔面积占喇叭出音面积的比例越大,当喇叭的音腔高度在20以上时,出音孔面积可以和喇叭出音面积等大即100%.对与大多数手机而言喇叭的音腔在1.5~4mm,出音孔面积占喇叭出音面积的15%~20%,声音效果比较好.
d.出音孔的结构最简洁的做法是直接在壳体上开孔,可以是圆孔阵列,也可以是一组长条形的孔.为防止灰尘和异物进入音腔,可以在壳体内侧加贴防尘网,为了美观,出音孔的外侧可以加贴镍片,PC片等装饰件,镍片的网孔直径可以细小到0.3mm,在使用镍片的情况下,壳体内侧可以不用加贴防尘网.
e.喇叭的后声腔主要影响铃声的低频部分，对高频部分影响则较小,可以不做要求。为了得到良好的低音效果,在主板上没有元件干扰的情况下,可以利用天线支架与主板配合,通过加贴泡棉把喇叭的后声腔封闭起来形成后音腔.现在为了得到更震憾的低音效果,喇叭家族里已经出现了震动喇叭,根据声音的大小震动喇叭可以产生不同强弱的震动,这种震动直接通过壳体传到使用者的手上.
15.下壳摄像头的固定结构
下壳摄像头的固定结构和上壳摄像头的固定结构类似,都采用PFC或连接器与主板连接,定位都需要围骨,密封都需要泡棉和镜片,但区别在于下壳摄像头的定位借助于天线支架,天线支架围住下壳摄像头的四周和底部以固定摄像头.为了保证下壳摄像头中心与下壳的拍摄孔中心不发生偏位,
下壳定位围骨还是要的.下壳摄像头镜片也是装完整机后吹干净镜尘,最后才装.
16.下壳装饰件的结构设计
下壳装饰件可以是塑胶,IML件,五金片等.
塑胶装饰件表面可以做电铸效果,优点是金属感强，档次高，耐磨性好,塑胶装饰件直接烫胶或扣在壳体上,厚度0.9~1.0mm,IML件就是将一个已经有丝印图案的FILM放在塑胶模具里进行注塑，此FILM一般可分为三层：基材（一般是PET）、INK（油墨）、耐磨材料,
当注塑完成后，FILM和塑胶融为一体，耐磨材料在最外层，其中注塑材料多为PC、PMMA，有耐磨和耐刮伤的作用，表面硬度可达到3H。IML件直接烫胶或扣在壳体上,厚度至少1.2mm.
镍片是五金装饰件中最常用的,外观漂亮,超薄镊片厚度0.1~0.15mm,不用开模就能做,网孔直径更可以小到0.3mm.如果有台阶有弯折就要开模制做了,总体厚度不能超过3mm,台阶侧面拔模要大于10度.
铝片装饰件厚度0.4~0.5mm，因为质软,表面拉丝做成直纹、乱纹、波纹、螺旋纹等。阳极处理也叫腐蚀处理,是在金属表面借由电流作用而形成的一层氧化物膜，颜色丰富、色泽优美、电绝缘性好并且坚硬耐磨，抗腐蚀性极高。喷砂处理是为了获得膜光装饰或细微反射面的表面，以符合光泽柔和等特殊设计需要。高光加工属于后加工,在铝片边沿铣出一条斜的亮边,形状就象导C角一样。
不锈钢装饰件厚度0.2~0.3mm，硬度较铝片装饰件高，以前的颜色单一，但随着技术的发展现在颜色已逐渐丰富起来。不锈钢装饰件的其它表面处理效果主要有拉丝、高光（机械抛光）、麻面（喷砂）、亚光等.
17.电池箱的结构设计
电池是手机储藏能量的地方,要求电池易装入,接触良好,翻转不跌出,易取,电池箱的结构必须满足这些要求,
a.电池箱的基本料厚为1.0mm,电池箱底部尽量封闭,有元件避开元件,没有元件尽量用胶壳遮住,避免露出大片的PCB.
b.间隙,取放方向的单边间隙为0.2mm,拔模3~5度,非取放方向的单边间隙为0.1mm,拔模1~2度.电池箱底部与电池间隙为0.1mm.电池箱底部胶壳掏胶与贴片元件间隙留0.2mm,电池箱底部胶壳掏胶与SIM卡连接器间隙留0.5mm.
c.电池取放方向的两头需要做扣与电池配合,防止松脱,扣合量的多少可以根据模拟电池取放时的转动来评估.抠手位要留出比指甲略宽的凹坑,方便手指抠出电池
d.电池箱体要保护电池连接器,即电池放入电池箱后只可以接触到电池连接器的弹片,而不许接触到电池连接器的本体,以免跌落测试时冲击到电池连接器造成损坏.
18.马达的结构设计
马达是手机上产生微弱机械震动的电子元件,当用户设置静音时,通过马达的震动可以使用户感应到来电,马达形状分为柱状和扁平状,连接方式主要有焊线式,弹片式,也有SMT式和插接式.
焊线式,弹片式和插接式的柱状马达通常会在本体外面套一个橡胶套,我们只要在壳体上起围骨包住橡胶套就可以了,围骨和橡胶套之间的间隙为零,围骨顶部预留导角方便马达装入.注意要为偏心轮预留足够的转动空间,壳体要避空偏心轮的转动范围至少0.5mm.
扁平状马达不带橡胶套,一面压在板上,另一面直接用双面胶粘在壳体上,周围起2/3圈的围骨就可以了,你也许会问,为什么围骨要留1/3的缺口?原来结构设计时不单要考虑装配可靠,还要考虑拆卸也容易.有了1/3的缺口,拆卸马达时用镊子一撬就可以了,附带说一句,翻盖手机上的感应磁石的定位围骨要留1/3的缺口,也是同一个道理.扁平状马达还可以固定在天线支架上,一面用双面胶粘在天线支架上,天线支架周围起2/3圈的围骨,另外一面用壳体长胶骨压住,注意胶骨压住马达不能是硬碰硬的,胶骨和马达之间空出0.3的间隙,加贴一层泡棉进行一下缓冲,以保护马达.
19.手写笔的结构设计
手写笔只在带触摸屏的手机上才用到,一般固定在下壳上,使用时拔出,手写笔分为笔帽,笔管和笔尖,笔帽上要做笔挂,笔挂上做带抠手的拨点,方便抽笔出来,笔管为空心不锈钢管或铜管,可以跟据需要做成一段的或多段加长的.笔尖带一圈凹槽,插入下壳后靠凹槽定位,
20.电池盖的结构设计
电池,SIM卡和T-FLASH卡要设计成可以更换的,把它们藏在下壳的电池箱里,再设计一个可以方便开合电池盖把它们保护起来,电池盖的材质可以是塑胶件的,表面可以加贴装饰件如镜片或五金片等,也可以用不锈钢片材折弯成型,电池盖的结构包括抠手位,插扣,侧扣,拨点,抠手位是取电池盖时施力的地方,插扣,侧扣,是电池盖插入下壳时咬合的结构,拨点则是电池盖插入下壳后防止退出的锁定结构.
20.穿绳孔的结构设计
穿绳孔是手机上用来固定吊绳的结构,轻巧的手机可以穿一根挂绳挂在胸前,但现在随着手机表面五金装饰件的增多,和超长待机导致的电池体积增加,都使得手机本身的重量逐渐加大,也有客户不再要求做挂绳孔了.反正我是不建议大家把手机挂在胸前,除了这边的治安环境不允许外,手机电池的不安全性也逐渐为越来越多的人群所担忧,还是揣兜里吧!
穿绳孔的结构一般做在下壳,利用天线支架的空档处见逢插针,行位是少不了的,还要保证套住挂绳的骨位有足够的强度。