书城艺术话说手机产品设计
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第7章 手机产品结构设计

4.1 塑料壳体设计

在手机设计与使用中,壳体的作用是整个手机的支承骨架。随着手机的大众化普及潮流,伴随着各种材料与工艺不断更新,金属、陶瓷和木材等材料逐渐应用于手机壳上,但是始终无法替代塑料在手机制造中的核心地位。塑料壳体对电子元器件起到定位与固定的作用,并对其他所有非壳体零部件起到承载和限位作用。

4.1.1 塑料壳体材料

手机结构件主要用热塑性塑料。热塑性塑料中又以PC、ABS或者PC与ABS的混合材料使用居多。零件材料不同,零件的结构设计也有所不同,故在作总体结构和零件设计之前应确定手机零件的材料。目前,手机常用塑胶材料主要有PC、ABS和PC+ABS三大类。其中,日本手机主要采用PC+ABS,甚至采用ABS做手机外壳;韩国几家手机制造商最早采用纯PC材料。而美国GE公司在其塑料材料公司未出售之前,不推荐采用PC材料做手机外壳,主张采用PC+ABS材料,但随后也推出适合手机制造的PC材料,例如,EXLl414、141R、SP1210R等。近年来,各大手机厂商采用PC材料做手机壳什的比例正在逐渐上升。尽管如此,三大塑料材料在手机的制造过程中各具一方,这主要由材料的不同性能所决定。

1.PC

PC,即聚碳酸酯,这种材料强度高,价格昂贵,流动性不佳。适用于对强度要求较高的外壳(如翻盖手机中与转轴配合的两个壳体、不带标准滑轨模块的滑盖机中滑轨和滑道的两个壳体等)。

2.ABS

ABS,即丙烯脂—丁二烯—苯乙烯共聚物。流动性高,价格低廉,适用于对强度要求不太高的部件(不直接受到冲击,不承受可靠性测试中结构耐久性测试的部件),如手机内部的支撑架(Keypad Frame,LCD Frame)等。其次就是普遍应用在电镀的部件上(如按钮、侧键、导航键和电镀装饰件等)。

3.PC+ABS

PC+ABS,即PC与ABS的合成材料。流动性好,强度可靠,价格适中。适用于绝大多数的手机外壳,在结构设计比较优化的情况下,壳体的强度是可靠的。

4.1.2 塑料壳体材料的选择

在材料的应用上需要注意以下两点。

①在设计过程中,为避免与减少强度风险,于是大量使用PC加工部件。这会导致一些部件成型困难,生产制造成本增加。

②在对部件强度没有完全把握的情况下,模具评审阶段应该明确告诉模具供应商,可能会先用PC+ABS生产某个部件的产品,但不排除当强度不够时后续会改用PC的可能性。这样模具供应商会在模具的设计上考虑好收缩率及特殊部位的拔模角。

通常外壳都是由上、下壳组成。从理论上讲,上下壳的外形可以重合,但实际上由于模具的制造精度和注塑参数等因素的影响,造成上、下外形尺寸大小不一致,即面刮(面壳大于底壳)或底刮(底壳大于面壳)。可接受的面刮一般小于0.15mm,可接受的底刮小于0.1mm,在无法保证零段差时,尽量使产品的面壳大于底壳。一般来说,面壳因有较多的按键孔,成型缩水较大,所以缩水率选择较大,一般选0.5%,底壳成型缩水较小,所以,缩水率选择较小,一般选0.4%,即面壳缩水率一般比底壳大0.1%。即便是两件壳体选用相同的材料,也要注明后壳取较小的收缩率。

4.1.3 壳体厚度

在壳体设计过程中,第一个步骤是对壳体进行抽壳(Shell),首先要确定壳体的基本壁厚。壳体的壁厚对部件的很多关键特性的影响至关重要,包括结构强度、外观、成型及成本等。超厚和超薄的手机外壳。

设计阶段优化的壳体厚度可以降低后续可靠性测试的风险,修模的成本,以及成型的困难。通常而言,对于平板状截面,每增加10%的壁厚,部件的刚性会增加33%左右;而对于一个简单的塑料面,厚度增加25%可以使壳体的刚度增加1倍。但增加厚度会对手机的外观,部件的成型时间、成本及整个手机的重量带来负面的影响。因此,在壳体厚度的设计上要注意以下几点。

①壁厚要均匀,厚薄差别尽量控制在基本壁厚的25%以内(低缩水率材料小于0.5%),可以避免明显的翘曲,填充及外观缺陷等问题。

②对于直板机,在厚度方向上壳体的厚度尽量在1.1~1.2mm范围内,侧面厚度范围则为1.5~1.7mm;镜片支承面厚度0.8mm;整个部件的最小壁厚不得小于0.4mm,且该处背面不是A级外观面,并且面积不得大于100mm2。

③对于折叠机和滑盖机,在厚度方向上壳体的厚度为1mm,侧面厚度为1.2mm。外镜片支承面厚度0.8mm,内镜片支承面厚度最小0.7mm,转轴处壁厚在1.1~1.2mm范围内,滑轨滑道面1.0mm,整个部件的最小壁厚不得小于0.4mm,且该处背面不是A级外观面,并且该处面积不得大于100mm2。

④电池盖Battery cover折叠机和滑盖机壁厚取0.9~1.0mm范围,直板机取1.0mm。

4.1.4 壳体配合间隙

在壳体设计过程中,由于壳体的不同部位承载着不同的使用压力,这就致使设计过程中壳体的厚度也存在着一定的差别壳体厚度的设计范围。

4.2 扣位结构设计

4.2.1 止扣设计

止口指的是上、下壳之间的相嵌配合关系。设计的名义尺寸应留0.05~0.1mm的间隙,嵌合面应有1.5°~2°的斜度,端部应设倒角或倒圆角以便装配。上、下壳圆角处的止口配合,应增大配合面内侧止口的圆角半径,以增大圆角之间的间隙,预防圆角处的干涉。

止口的作用主要有以下两个方面。

①手机壳体内部空间与外界的导通不会很直接,能有效地阻隔灰尘或静电等的进入。

②上下壳体的定位及限位。

壳体止口的设计需要注意以下几个方面。

①嵌合面应有0.5°~1°的拔模斜度,端部设倒角或圆角以利装入。

②上壳与下壳圆角的止口配合,应使配合内角的R角偏大,以增大圆角之间的间隙,预防圆角处的干涉。

③止口的设计,要将侧壁强(即上面的一个壳)的一端的止口放在里边以抵抗外力。

④止口的设计,位于外边的止口的凸边厚度按0.6~0.8mm(至少大于壳体侧壁壁厚的1/2);位于里边的止口的凸边厚度按从大于0.50mm到壳体侧壁壁厚的1/2来设计;B1=0.10mm;B2=0.20mm。

4.2.2 卡扣设计

设计完止口,下一步是设计卡扣。卡扣的应用在手机的壳体是很普遍的,主要是指上壳与下壳的扣位配合。在考虑扣位数量位置时,应从产品的总体外形尺寸考虑,要求数量平均,位置均衡,设在转角处的扣位应尽量靠近转角,确保转角处能更好的嵌合,从设计上预防转角处容易出现的离缝问题。

卡扣的设计需要注意以下几个方面。

①直板机如果用四颗螺钉来固定前后壳体,那么在壳体上左右两边两螺柱之间要各设计两个卡扣(每个卡扣的长度不要超过7mm,如果只能设计一个,卡扣的长度应该是10~12mm);顶部设计两个卡扣(长度4mm左右),如果受元器件摆放位置的限制,如卡扣的内斜销运动过程中与Speaker/Receiver/Motor/Camera等元器件的定位/音腔发生干涉,顶部可以只设计一个卡扣(长度6mm左右)。

②直板机如果用6颗螺钉来固定前后壳体,那么在壳体上左右两边每两个螺柱之间要设计一个卡扣。其余与上相同。

③折叠机/滑盖机如果用四颗螺钉来固定上下壳体,那么在壳体上左右两边两螺柱之间要各设计一个卡扣(每个卡扣的长度应该在6~8mm之间);顶部设计两个卡扣(长度4mm左右),如果受元器件摆放位置的限制,如卡扣的内斜销运动过程中与Speaker/Receiver/Motor/Camera等元器件的定位/音腔发生干涉,顶部可以只设计一个卡扣(长度6mm左右)。

④卡扣处注意防止缩水与熔接痕(Melt Line)。

⑤朝壳体内部方向的卡扣,斜销运动空间留4mm;注意周边不要设计其他特征。

⑥卡扣细部设计按照来设计,A1=0.4~0.6mm;A2=0.10mm;A3=0.05mm;A4=0.10mm;A5≥0.70mm;AA=0.40~0.55mm(视卡扣周边情况及壳体侧壁厚度,侧壁厚度大于1.5mm时,AA=0.4mm,小于1.2mm时,AA=0.55mm。没有把握时先按小设计,待验证后再加胶)。

母扣和止口要在同一个壳上,活扣扣住0.5mm,留0.2mm的间隙(留在后期加胶),死扣扣住0.7mm。

母扣的两侧要有厚0.60mm的竖筋,保证卡扣的强度。

母扣的背面要用厚0.50mm,相隔0.70mm(具体的尺寸可以根据实物来定)的竖筋相连,方便走胶和保证扣位强度。

母扣开口底面的边缘加高0.20mm,相应公扣的顶面要低于分模面0.30mm,保证整机在扣位处不会漏光。

4.3 声腔结构设计

4.3.1 手机声腔设计的目的

手机声腔对于铃声音质的优劣影响很大。同一个音源、同一个扬声器在不同声腔中播放效果的音色可能相差较大,有些比较悦耳,有些则比较单调。合理的声腔设计可以使铃声更加悦耳,较常用的手机声腔喇叭。

手机的声腔设计主要包括前声腔、后声腔、出声孔、后声腔密闭性和防尘网5个方面。

4.3.2 前声腔对声音的影响

前声腔对低频段影响不大,主要影响手机铃声的高频段部分。随着前声腔容积的增大,高频波峰会不断往左移动,高频谐振点会越来越低。高频谐振点变化的对数值与前声腔容积的增量几乎成线性关系。

由于手机MIDI音乐的频带一般为300~8000Hz,即在该频段内的频响曲线才是有效值,因此,我们一般希望频响曲线的高频谐振点在6000~8000Hz之间。因为如果高频波峰太高(高频谐振点大于10000Hz),那么在中频段可能会出现较深的波谷,导致声音偏小。如果高频波峰太低(高频谐振点小于6000Hz),那么声腔的有效频带可能会比较窄,导致音色比较单调,音质较差。所以,前声腔太大或太小对声音都会产生不利的影响。同时,由于出声孔面积对高频也有较大的影响,因此,设计前声腔时,需考虑出声孔的面积,一般情况下,前声腔越大,则出声孔面积也应该越大。当前声腔过小时,还会造成一个问题,即出声孔的位置对高频的影响程度急剧增加,可能会给外观设计造成一定的困难。

注:MIDI是英文Musial instrument digitalinterface(乐器的数字化接口)的缩写。则是计算机多媒体技术在音频领域中的又一应用。整个MIDI系统包括合成器,计算机音乐软件、音源、计算机、MIDI连线、调音台、数码录音机等周边设备。计算机可以将来源于键盘乐器的声音信息转化为数字信息存入计算机。

综上所述,结合手机设计的实际情况,在设计前声腔时,一般希望前声腔的垫片压缩后的厚度在0.3~1mm之间。

4.3.3 后声腔对铃声的影响

后声腔主要影响铃声的低频部分,对高频部分影响则较小。铃声的低频部分对音质影响很大,低频波峰越靠左,低音就越突出,主观上会觉得铃声比较悦耳。

一般情况下,随着后声腔容积不断增大,其频响曲线的低频波峰会不断向左移动,使低频特性能够得到改善。但是两者之间关系是非线性的,当后声腔容积大于一定阈值时,它对低频的改善程度会急剧下降。

需要强调的是,扬声器单体品质对铃声低频性能的影响很大。在一般情况下,装配在声腔中的扬声器(SPEAKER),即便能在理想状况下改善声腔的设计,其低频性能也只能接近,而无法超过单体的低频性能。

一般情况下,后声腔的形状变化对频响曲线影响不大。但是如果后声腔中某一部分又扁、又细、又长,那么该部分可能会在某个频率段产生驻波,使音质急剧变差,因此,在声腔设计中,必须避免出现这种情况。

对于不同直径的扬声器,声腔设计要求不太一样,同一直径则差异不太大。具体推荐值如下。

1)直径为13mm的扬声器

它的低频谐振点f?一般在800~1200Hz之间。

当后声腔为0.5cm3时,其低频谐振点f?大约衰减600~650Hz。当后声腔为0.8cm3时,f?大约衰减400~450Hz。当后声腔为1cm3时,f?大约衰减300~350Hz。当后声腔为1.5cm3时,f?大约衰减250~300Hz。当后声腔为3.5cm3时,f?大约衰减100~150Hz。因此,对于φ13mm的扬声器,当它低频性能较好(如f?在800Hz左右)时,后声腔要求可适当放宽,但有效容积也应大于0.8cm3。当低频性能较差时(f?>1000Hz),其后声腔有效容积应大于1cm3。后声腔推荐值为1.5cm3,当后声腔大于3.5cm3时,其容积变化对低频性能影响会比较小。

2)直径为15mm的扬声器

它的低频谐振点f?一般在750~1000Hz之间。

当后声腔为0.5cm3时,低频谐振点f?大约衰减850~1000Hz。当后声腔为1cm3时,f?大约衰减600~750Hz。当后声腔为1.5cm3时,f?大约衰减400~550Hz。当后声腔为3.5cm3时,f?大约衰减200~250Hz。因此,对于直径为15mm的扬声器,后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时,其容积变化对低频性能影响会比较小。

3)尺寸为13mm×18mm的椭圆形扬声器

它的低频谐振点f?一般在780~1000Hz之间。

当后声腔为0.5cm3时,低频谐振点f?大约衰减850~1000Hz。当后声腔为1cm3时,f?大约衰减600~750Hz。当后声腔为1.5cm3时,f?大约衰减400~550Hz。当后声腔为3.5cm3时,f?大约衰减200~250Hz。因此,对于13mm×18mm的扬声器,后声腔有效容积应大于1.5cm3。当后声腔大于3.5cm3时,其容积变化对低频性能影响会比较小。

4)直径为16mm的扬声器

它的低频谐振点f?一般在750~1100Hz之间。

当后声腔为0.5cm3时,低频谐振点f?大约衰减850~1000Hz。当后声腔为0.9cm3时,f?大约衰减600~700Hz。当后声腔为1.5cm3时,f?大约衰减400~550Hz。当后声腔为2cm3时,f?大约衰减300~350Hz。当后声腔为4cm3时,f?大约衰减150~200Hz。因此,对于直径为16mm的扬声器,后声腔有效容积应大于1.5cm3。后声腔推荐值为2cm3,当后声腔大于4cm3时,其容积变化对低频性能影响会比较小。

5)直径为18mm的扬声器

它的低频谐振点f?一般在700~900Hz之间。

当后声腔为0.5cm3时,低频谐振点f?大约衰减700~950Hz。当后声腔为0.9cm3时,f?大约衰减500~700Hz。当后声腔为0.9cm3时,f?大约衰减500~700Hz。当后声腔为1.5cm3时,f?大约衰减400~550Hz。当后声腔为2.1cm3时,f?大约衰减250~400Hz。当后声腔为4.3cm3时,f?大约衰减120~160Hz。因此,对于直径为18mm的扬声器,后声腔有效容积应大于2cm3。当后声腔大于4cm3时,其容积变化对低频性能影响会比较小。

4.3.4 出声孔对声音的影响

出声孔的面积(即在扬声器正面上总的投影有效面积)对声音影响很大,而且开孔的位置、分布是否均匀对声音也有一定的影响,其程度与前声腔容积有很大关系。一般情况下,前声腔越大,开孔的位置、分布对声音的影响程度就越小。

出声孔的面积对频响曲线的各个频段都有影响,在不同条件下,对不同频段的影响程度各不相同。当出声孔面积小于一定的阈值时,整个频响曲线的SPL值会急剧下降,即铃声的声强损失很大,这在手机设计中是必须禁止的。当出声孔面积大于一定阈值时,随着面积增大,高频波峰、低频波峰都会向右移动,但高频变化的程度远比低频大,低频变化很小,即出声孔面积的变化主要影响频响曲线的高频性能,对低频性能影响不大。

出声孔面积与高频谐振点的变化呈非线性关系,且与前声腔大小有一定的联系。

最小值表示当出声孔面积小于该值时,整个频响曲线会受到较大影响,音量会极大衰减。有效范围表示出声孔面积在此范围之内,一般能满足基本要求。需要强调是如果出声孔在前声腔投影范围内,分布比较均匀,且过中心,那么可以取较小值,否则应取偏大一些的值。建议在一般情况下,不要取有效范围的极限值。

在实际设计中,如果高频声音出现问题,可以通过实际测量结果,修正出声孔面积进行改善。

注意:出声孔面积减小并不意味着声强降低,在很多情况下,反而可以提高声强。

4.3.5 后声腔密闭性对声音的影响

后声腔是否有效的密闭对声音的低频部分影响很大,当后声腔出现泄漏时,低频会出现衰减,对音质造成损害,它的影响程度与泄漏面积、位置都有一定的关系。

一般情况下,泄漏面积越大,低频衰减越厉害。泄漏面积与低频谐振点的衰减成近似线性的关系。

在同等泄漏面积情况下,后声腔越小,低频衰减越厉害,即泄漏造成的危害越大。

综上所述,建议结构设计时,应尽可能保证后声腔的密闭,否则可能会严重影响音质。

4.3.6 防尘网对声音的影响

相比于其他几个因素,防尘网对声音的影响程度较小,它对声音的影响程度主要取决于防尘网的声阻值和低频、高频峰值的大小。它主要影响频响曲线的低频峰值和高频峰值,其中对低频峰值影响较大。一般情况下,峰值越大,受到防尘网衰减的程度也越大。

防尘网主要有两个作用,即防止灰尘和削弱低频峰值,以保护扬声器。目前,常用的防尘网一般在250#~350#,它们的声阻值都比较小,基本在10?以下,对声音的影响很小,所以,一般采用扬声器厂家提供的防尘网差异不会非常大。因此,从防尘和声阻两个方面综合考虑,建议采用300#左右的防尘网。

我们以往采用的不织布防尘网存在一个问题,由于不织布的不同区域密度不一样,因此,不同区域声阻也不一样,可能会造成同一批防尘网的声阻一致性较差。但不织布的成本比防尘网低很多,因此,建议设计中综合考虑性能和成本,在高档机型中,尽可能不要采用不织布作为防尘网。

以上声腔设计的规律和各个推荐值都是通过大量实验总结出来,供设计人员在前期设计时参考。但是由于声音具有一定的特殊性,因此,建议设计人员在结构手板完成后,通过实际测试(声腔测试流程见4.3.7节),以对一些细节进行调整。

4.3.7 声腔结构设计

声腔结构对手机音质的影响。

扬声器电气性能对手机电气性能及音质的影响。

1.扬声器声腔结构设计

扬声器声腔结构设计主要指手机内部所构成的声腔或者泄漏孔对扬声器的性能和声音产生的影响,声孔、前腔、内腔、泄漏孔等都会对手机的整机音质表现产生影响,首先要用Rubber Ring,即环形橡胶垫把扬声器与手机外壳密封起来,使声音不会漏到手机内腔,然后就是声孔、前腔、内腔的合理配合。

泄漏孔主要是由SIM卡、电池盖、手机外接插座等手机无法密封位置的声漏等效而成的,泄漏孔以远离扬声器为宜,即手机无法密封的位置要尽量远离扬声器,这样可以使得手机的整机的音质表现较好。

声腔设计建议值如下。

1)φ13mm的扬声器

声孔总面积约3mm2,前腔高度0.4~1mm,泄漏孔总面积约5mm2,内腔体积约5cm3。

2)φ15mm的扬声器

声孔总面积约3.5mm2,前腔高度0.4~1mm,泄漏孔总面积约5mm2,内腔体积约6cm3。

3)φ16~18mm的扬声器

声孔总面积约4mm2,前腔高度0.4~1mm,泄漏孔总面积约5mm2,内腔体积约7cm3。

2.接收器声腔设计

主要指手机内部所构成的声腔或泄漏孔对接收器(Receiver)的性能或声音产生的影响,声孔、前腔、内腔和泄漏孔等都会对手机的整机音质表现产生影响,首先要用Rubber Ring,即环形橡胶垫把接收器与手机外壳密封起来,使声音不会漏到手机内腔,然后就是声孔、前腔和内腔的合理配合。

泄漏孔主要是由SIM卡、电池盖和手机外接插座等手机无法密封位置的声漏等效而成的,泄漏孔以远离接收器为宜,即手机无法密封的位置要尽量远离接收器,这样可以使得手机的整机的音质表现较好。

声腔设计建议值如下。

1)φ13mm的接收器

声孔总面积约3mm2,前腔高度0.2~0.8mm,泄漏孔总面积约5mm2,内腔体积约4cm3。

2)φ15mm的接收器

声孔总面积约3.5mm2,前腔高度0.2~0.8mm,泄漏孔总面积约5mm2,内腔体积约5cm3。

4.4 按键结构设计

4.4.1 按键结构

按键(Key Pad)的设计也是手机结构设计中非常重要的一环,按键设计好与否,不仅是关系手机美观的问题,更关系到使用者的手感和操作的舒适程度,因此,在作结构设计时需要格外注意。

根据材料和加工工艺,目前的按键可分为纯硅胶按键、PC按键(覆膜,IMD)和P+R三类。本章主要介绍当前常用的按键和金属薄膜开关(Metal Dome)的设计及其加工工艺。

1.P+R按键结构

按键生产中通过自动点胶机将按键帽和胶盘黏结在一起。按键帽材料通常采用PC/ABS/PMMA,方向键多采用电铸模具加工,胶盘材料一般采用RUBBER/TPU+RUBBER。

P+R按键结构设计示意图,按键和金属薄膜开关之间的距离是一个很重要的参数,此间隙过大会是按键松,即“晃”,过紧会影响手感甚至无功能。另一个重要的参数是按键到胶壳边的间隙a,此间隙过大会影响外观,手感不好,太小会影响手感。其中尺寸a的范围由0.05~0.25mm,建议采用0.15~0.2mm。

另外,金属薄膜开关与主板需要有定位孔进行定位,黏合前的防尘工作非常重要,否则会因主板上的细小灰尘而导致按键重按或者无功能。按键的定位孔离按键的电镀部分的距离应大于2mm,否则做环境测试时易击穿。

2.硅胶按键结构

硅胶按键是最先出现的按键类型,早期多用于直板手机,因其成本低,手感好,现阶段又有再次流行的趋势。按键设计时要注意按键与面壳按键孔的配合间隙,一般来说,如果按键采用硅胶按键,则按键与面壳键孔的间隙为0.2~0.3mm。如果按键采用悬臂梁,则要考虑预留按动时偏摆的间隙。如按键表面需要处理则要考虑各种表面处理对间隙的影响。水镀(电镀)镀层厚度一般为0.025mm,喷涂和真空镀一般为0.05mm。如果要考虑按键表面进行丝印等加工工艺时,按键表面圆弧不宜过大,弓形高度小于0.5mm。按键顶部周边需倒圆角,避免卡住按键。同样硅胶按键也需要与壳体有定位的设计。

3.PC按键结构

PC按键为在PC/ABS注塑成型后再在上表面覆一层PC/PET薄膜,属于IMD工艺,其表面非常耐磨,但因与开关接触的点的硬度高故其手感不大好,不良率比较高。其中PET薄膜厚度可作薄至0.06mm。

4.4.2 按键字体

按键的字体要做在壳体上,是通过镭雕的方式加工而成的。由于按铀的字体要求透光,所以壳体的基材必须是透明材料。在使用透明基材后,表面透光明显。

1.字体印刷

侧面曲率对印刷在按键表面的墨水的耐磨性很重要。侧面的半径越小,接触面积越少,但每个接触面积上的压力越大。

在设计中,为了满足设计要求,耐磨性通常是需要妥协的,因此,需要特种涂料来提高油墨的耐磨性。

2.盲点

盲点的定位会影响橡胶上丝网印刷的质量,因此,建议盲点定位应远离图案印刷。图案中心的点会导致印刷的困难,图案形状可能产生变形。如果印刷类型是底片,凹形上的盲点比凸形上的盲点更困难。

4.5 转轴结构设计

转轴是翻盖手机的重要部件之一,转轴的设计直接影响到翻盖测试是否能通过。

4.5.1 一般普通转轴的外形及基准尺寸

转轴处的结构在做翻盖测试时是受力较大的部位,容易产生开裂的现象,所以,此处的设计要保证一定的壁厚强度。

转轴处的配合间隙在转轴的设计中是极为重要。转轴的配合间隙过大,会出现翻盖异音,翻盖晃动等现象。配合间隙过小,会产生摩擦等。基本看出各处的配合间隙的大小。

在设计转轴处结构时要考虑到转轴装卸,特别是要方便拆卸,转轴装配关系。

4.6 主板设计

手机主板的设计主要考虑以下方面:字键金手指的设计与排布,电池连接器、SIM卡座、RF连接器、天线铜皮、I/O连接器、DC JACK、耳机插座、侧按键、屏蔽罩、FPC插座、霍尔器件、LED灯、MIC、震动马达等的选择与排布,以及PCB的结构尺寸、电子元器件的限高和定位等。

①对于金手指的设计,是根据所选择的金属薄膜按键的大小,决定金手指的图形尺寸。金属薄膜按键的规格有φ3~φ13mm,每个主板上最多用两种中规格的,一般手机采用φ4mm或φ5mm金属薄片。

②电池连接器、SIM卡的选择,要考虑使用寿命、使用环境、接触特性,以及操作的方便性,排布的位置与PCB的结构空间及方便操作有关。

③天线连接器靠近天线部位,离天线触点铜皮的距离不小于2mm,与屏蔽罩的信号I/O接口尽量近,与屏蔽罩的距离不小于1mm。

④在空间允许的条件下,FPC的插座尽量接近FPC在转轴处的出口。

⑤霍尔器件在主板上的位置与翻盖上的磁铁位置有关,一般放置的位置是霍尔器件磁力线感应方向的中心线与磁铁的中心线偏移0.5mm。

⑥LED夜光灯的位置。一般数字键部位排布6个灯的位置,如果PCB较小的话要考虑用4个灯,功能键部位排布2个灯,具体LED贴焊的数量,可根据样机的情况确定。

⑦薄膜开关的接地铜皮位置以不影响字键手感为准,每边以两个接地铜皮为佳。薄膜开关的定位孔在φ1.2~φ2mm之间,距薄膜边的最小距离为1mm,尽量让孔的位置在PAD的外面,以免灰尘通过定位孔进入按键中。一般位置是天线附近一个,相对位置一个,其他根据需要增加。

⑧侧按键可以选择薄膜开关和微动开关。如果选择微动开关,带有定位柱的可以防止手感不一致问题。

⑨由于加工方面的原因,PCB边沿的内角不能设计为直角,内、外圆角的最小半径为R0.5mm,PCB上的孔离PCB边沿不要小于0.5mm。

⑩对于没有定位孔的元件,PCB上要有定位图,该元件的定位公差是±0.1mm。

PCB的拼版,手机板一般是四拼,板厚可选择的厚度有1.0±0.1mm、1.2±0.1mm、1.4±0.1mm。外围尺寸公差是±0.1mm。

PCB的拼版要注意以下几个方面。

a.拼版的板筋部位要避开PCB在塑胶件上的定位部位;板筋同时要避开电子元件超出PCB的部位,防止电子元件贴不到位。同时要求拼版的筋位要均匀和可靠。

b.拼版框的定位孔一般有4个,直径A=φ4,距边B=4.5mm,呈对角分布;板框的边宽左右、上下约为C=5mm、中间间隔约为D=2mm、锣空的最小宽度约为2mm。

c.板筋的邮票孔直径E=φ0.3mm左右,中心距F=0.6mm。

d.要在拼版上标出SMT MARK点的位置,一般是四个,在PCB拼版的附边的四个角上,大小为G=1mm的焊盘。

PCB的结构图要注意以下几个方面:尺寸,尺寸描述要完整、清晰、精确到0.05mm,PCB的公差范围为±0.1mm。

4.7 其他部件设计

4.7.1 支柱设计

抽壳之后就要确定好壳体之间如何固定,通常采取螺钉加卡扣的方式来固定两个壳体。螺钉柱通常用于装配螺钉(Screw)或螺钉嵌件(Insert/Nut),螺钉柱通常还起着对PCB的定位作用。对于直板机,建议用4~6颗螺钉。对于折叠机和滑盖机的主机部分尽量用4颗螺钉,翻盖和滑盖部分也尽量用螺钉来固定,且不要少于2颗。如果是2颗,要尽量靠近转轴。

在螺钉柱的设计上需要注意以下几点。

①为了避免螺钉柱背面的表面缩水,螺钉柱壁厚(Boss-wall Thickness)与壳体壁厚的关系应该保持和加强筋厚度(Rib Thickness)与壳体壁厚的关系(见下面关于加强筋的介绍)。

②如果螺钉柱壁厚相对于壳体壁厚的比例关系超过了推荐的比例,可以考虑在其根部设计一圈凹坑来减少缩水的可能。

③在螺钉柱底部加倒圆角可以减少应力集中和潜在的破裂危险,但过大的倒圆角会导致缩水。对于手机壳体,0.2~0.4mm的倒圆角会增强螺钉柱的强度而不会造成螺钉柱背面的表面缩水。

a.Insert/Nut热压的螺钉柱的设计基本原则:其外径应该是Insert/Nut外径的1.5倍,但是在手机的设计上往往会按照经验值来取偏小的值。M1.4×0.3的Insert/Nut外径为2.5mm,设计中螺钉柱的外径设计为3.70mm,但实际取3.90mm会更加可靠(单边壁厚0.70mm)。

b.Insert/Nut热熔在螺柱里后要能承受2.5kg·cm的扭力和15Kg的拉力。

c.螺钉嵌件与螺钉柱尺寸关系为Md-螺径;A=Md+0.2;B=2×Md+0.2;C=B+0.4;E≥0.8mm;F尺寸很关键,是必须在装配明确标出的螺钉嵌件热熔后与基准面的距离,且每次新送样都要检验。H=螺柱外径+0.20mm。下壳螺柱底面与螺钉嵌件面的距离为0.05mm;下壳螺柱外圈顶住PCB处与PCB的距离为0.05mm。

d.用于自攻螺钉的螺钉柱的设计原则:其外径应该是装配螺钉外径的2.0~2.4倍。

M1.6×0.35的自攻螺钉与螺柱的尺寸关系。设计中可以取:螺柱外径=2×螺钉外径;螺柱内径(ABS,ABS+PC)=螺钉外径-0.40mm;螺柱内径(PC)=螺钉外径?0.30mm或0.35mm(可以先按0.30mm来设计,待测试通不过再修模加胶);两壳体螺柱面之间距离取0.05mm。

列出了常用自攻螺钉装配及测试(10次)时所要用的扭力值。

4.7.2 加强筋设计

加强筋是一种经济实用的加强壳体强度(Strength)和刚度(Stiffness)的特征,加强筋还起到对装配中元器件定位的作用;对相互配合的部件起对齐的作用;对机构起止位和导向的作用。表示达到2倍的刚性,通过设计加强筋仅需增加7%的材料,而通过加厚壁厚却需要增加25%的材料。

加强筋的设计涉及到厚度(Thickness)、高度(Height)、位置(Location)、数量(Quantity)、成型(Moldability)5个方面。厚度(rib thickness)很关键,太厚会引起对面的表面上有缩水(Sink)和外观(Cosmetic)的问题。

加强筋的设计要注意以下原则。

常用材料加强筋厚度设计通用参考(壳体厚度的50%≤加强筋厚度≤壳体壁厚的70%),加强筋设计时几个主要尺寸之间的关系。

加强筋设计要注意以下几个方面。

①壁厚不大于1.5mm的薄壁零件允许加强筋的厚度比上表略厚一点,但应小于壳体壁厚的75%。

②壁厚不大于1.0mm的薄壁零件允许加强筋的厚度与壳体壁厚相同。

③高光面应该采用薄的加强筋,可以用几个矮的加强筋来代替一个高的加强筋。

④较多的加强筋会增强部件的强度和防止破裂,但实际上也可能会降低部件吸收冲击的能力。根据模具上加筋比去除筋容易的原则,对加强筋的应用应该本着需要的原则来设计。

⑤加强筋的布置方向最好与熔料充填方向一致。

4.7.3 角撑设计

通常还会设计一些角撑来加强螺柱和壳体折弯等部分。设计角撑的原则和加强筋是一样的,但要注意方形的角撑在尖角处容易形成气包。

4.7.4 圆角设计

太小的圆角或没有圆角会导致应力集中,相反,太大的圆角会导致壳体表面缩水。

圆角和壳体壁厚的比例R/h与应力集中之间的对应关系。圆角与壳体壁厚的比例R/h=0.15时,补强效果(对于小的或中度冲击)和外观质量可以得到一个比较好的折中。

4.7.5 拔模角设计

由于塑料壳体的成型特性,要对所设计的塑料件加上拔模特征(这项工作尽量在所有特征都建完之后再做)。

设计拔模特征时注意以下几个方面:

①要对所有平行于模具上钢铁分开(Steel Separation)的方向的面进行拔模。

②外壳面拔模角度大于2.5°。

③除外壳面外,壳体其余特征的拔模角度以1°为标准拔模角度。特别的也可以按照下面原则来取。

a.低于3mm高的加强筋拔模角度取0.5°,3~5mm取1°,其余取1.5°。

b.低于3mm高的腔体拔模角度取0.5°,3~5mm取1°,其余取1.5°。

c.表面要咬花的面拔模角度为1°+H/0.0254°(H=咬花总深度)。