王明珠 王忠偉 李鳳云 蔣恒

摘要：為有效解決智能手機(jī)攝像模組濾光片在跌落過程中的脆性開裂問題，開展手機(jī)跌落過程的有限元仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。手機(jī)正面跌落時(shí)，濾光片受力最大，其失效主要是由攝像模組內(nèi)部鏡頭撞擊鏡座導(dǎo)致的。保證手機(jī)攝像模組中鏡頭與鏡座之間的距離大于馬達(dá)載體與馬達(dá)基體之間的距離，可以有效防止濾光片的失效。研究濾光片熱固膠的彈性模量、膠寬和膠厚對濾光片應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：改變?yōu)V光片熱固膠的彈性模量對濾光片的脫落影響較大;濾光片應(yīng)力隨濾光片熱固膠膠寬的增加先增大后減小，隨濾光片熱固膠膠厚的增加而減小。仿真結(jié)果可為濾光片熱固膠的用法與用量提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：手機(jī);攝像模組;跌落;撞擊;濾光片;失效;熱固膠;可靠性

中圖分類號：TB851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0068-06

0?引?言

電子產(chǎn)品受到跌落撞擊時(shí)，因動態(tài)載荷的作用，會在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)。[1]手機(jī)是生活中必不可少的電子產(chǎn)品之一，其更輕薄的發(fā)展趨勢，對其剛度要求更高，對其攝像頭的保護(hù)能力降低。在頻繁使用過程中，手機(jī)極易發(fā)生跌落破壞，影響手機(jī)的正常使用和壽命。手機(jī)跌落試驗(yàn)是手機(jī)可靠性試驗(yàn)中最重要的試驗(yàn)之一。[2]在手機(jī)跌落過程中，攝像模組變形增大，內(nèi)部脆性元件濾光片開裂失效率明顯上升，嚴(yán)重影響攝像模組的品質(zhì)。在跌落狀態(tài)下手機(jī)攝像模組濾光片開裂失效見圖1。CAE技術(shù)在跌落仿真方面已發(fā)展成熟，可以有效解決一些技術(shù)上難點(diǎn)，大大降低開發(fā)成本[3-8]。

本文模擬手機(jī)跌落過程，研究跌落方式、馬達(dá)彈簧彈性系數(shù)，以及濾光片熱固膠的彈性模量、膠寬和膠厚等對手機(jī)跌落過程中濾光片應(yīng)力的影響，采用攝像模組單體定向跌落試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1?仿真模型建立

利用三點(diǎn)彎曲測試方法測定濾光片的應(yīng)力閾值，并利用Weibull分布[9]同時(shí)結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)情況確定產(chǎn)品失效概率。選取濾光片失效概率為10%時(shí)所對應(yīng)的破壞應(yīng)力157.80 MPa作為濾光片的應(yīng)力閾值。

1.1?手機(jī)和攝像頭模型建立

對手機(jī)和攝像模組建立三維模型。采用主流手機(jī)尺寸150 mm×80 mm×7 mm，質(zhì)量為200 g，常規(guī)結(jié)構(gòu)，手機(jī)屏幕為157 mm（6.2英寸）的觸摸屏，厚度為1 mm，忽略一些細(xì)小的、對跌落影響不太大的特征。手機(jī)攝像模組根據(jù)對焦方式不同可分為變焦（auto-focus， AF）模組和定焦（fixed-focus， FF）模組[10]，其中AF模組根據(jù)馬達(dá)載體與馬達(dá)基體的距離可分為中置馬達(dá)（馬達(dá)載體與馬達(dá)基體距離為150 μm）和普通馬達(dá)（馬達(dá)載體與馬達(dá)基體距離為0）。中置馬達(dá)以其對焦快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)攝像模組中。本文主要基于AF模組中置馬達(dá)進(jìn)行模擬，其中馬達(dá)外殼與馬達(dá)載體之間采用彈簧連接，彈簧總剛度為k=20 N/m。攝像模組與手機(jī)外殼之間采用泡棉材料（在Abaqus中設(shè)為hyperfoam）連接。手機(jī)模型示意見圖2，手機(jī)AF攝像模組剖面見圖3，其中攝像模組馬達(dá)為音圈馬達(dá)，磁鐵放置于馬達(dá)四角處。

1.2?材料定義和網(wǎng)格劃分

手機(jī)使用的材料種類很多，其中外殼一般采用工程塑料合金PC/ABS，觸摸屏采用玻璃。對于這些彈性材料，只需輸入彈性模量、泊松比和密度即可。[11]模型中的主要材料參數(shù)見表1。

跌落試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，物理跌落試驗(yàn)的跌落平臺應(yīng)是混凝土或鋼制成的平滑、堅(jiān)硬的剛性表面，并且至少為跌落產(chǎn)品質(zhì)量的50倍[2]，所以模擬時(shí)將地面約束為剛體。在跌落過程中，手機(jī)的許多零件會相互碰撞，所以在Abaqus中采用General Contact定義模型的接觸。模擬手機(jī)從H=1 m高處跌落，將其換算成手機(jī)落地時(shí)的初始速度即為v=[KF（]2gh[KF）]=4 429 mm/s，地面固定。

2?仿真分析和結(jié)果

手機(jī)的跌落方向往往是隨機(jī)的，面、角和邊都有可能受到碰撞。為全面評估手機(jī)跌落時(shí)濾光片的可靠性，研究不同跌落方式對濾光片應(yīng)力的影響，對手機(jī)進(jìn)行六面四角跌落模擬，跌落方式示意見圖4。

觀察跌落過程，發(fā)現(xiàn)攝像模組馬達(dá)載體帶動鏡頭運(yùn)動時(shí)撞擊到鏡座，導(dǎo)致鏡座上下振動加劇，從而造成濾光片的應(yīng)力增大。手機(jī)不同跌落方式得到的模擬結(jié)果見表2，其中撞擊力F表示手機(jī)在跌落過程中鏡頭對鏡座的撞擊力。

由表2可知：手機(jī)正面跌落時(shí)濾光片應(yīng)力最大，可達(dá)215.57 MPa，超出其應(yīng)力閾值157.80 MPa，且正面撞擊時(shí)撞擊力F最大。因此，研究手機(jī)正面跌落時(shí)鏡頭與鏡座之間的距離h，馬達(dá)彈簧彈性系數(shù)k，濾光片熱固膠彈性模量E、膠寬a和膠厚b等對濾光片應(yīng)力大小的影響。

2.1?鏡頭與鏡座之間的距離與最大撞擊力和濾光片應(yīng)力的關(guān)系

鏡頭與鏡座之間的距離h示意見圖5。分別取h為20、50、80、100、120和145 μm，研究h與最大撞擊力Fmax和濾光片最大應(yīng)力Smax之間的關(guān)系，結(jié)果見圖6。

由此可知，在手機(jī)跌落過程中，F(xiàn)max隨h的增大先增大后減小，在h=80 μm時(shí)Fmax達(dá)到最大，為85.75 N，與濾光片最大應(yīng)力值隨h變化的關(guān)系大體一致，表明確實(shí)是由于跌落過程中鏡頭撞擊鏡座造成濾光片應(yīng)力值增大的。在h=100 μm時(shí)，濾光片受力仿真結(jié)果見圖7。

在跌落過程中，F(xiàn)F模組濾光片的最大應(yīng)力只有91.86 MPa，AF模組普通馬達(dá)濾光片的最大應(yīng)力為100.79 MPa。AF模組中置馬達(dá)在h≤145 μm，即鏡頭與鏡座之間的距離小于馬達(dá)載體與馬達(dá)基體之間的距離時(shí)，鏡頭撞擊到鏡座，濾光片的應(yīng)力最小為150.40 MPa，最大可達(dá)到215.57 MPa。濾光片的應(yīng)力閾值為157.80 MPa，所以：當(dāng)h≤145 μm時(shí)AF模組濾光片開裂風(fēng)險(xiǎn)極高;當(dāng)h=200 μm時(shí)鏡頭未撞擊到鏡座，濾光片應(yīng)力為115.41 MPa，未超出其應(yīng)力閾值?？梢?，濾光片開裂問題確實(shí)是由于鏡頭與鏡座撞擊造成的。

觀察手機(jī)跌落過程中鏡頭的受力情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)h=120 μm時(shí)，鏡頭會與鏡座發(fā)生二次碰撞。第一次碰撞是由于鏡頭向下運(yùn)動撞擊到鏡座造成的，第二次撞擊是鏡座在上下振動過程中與撞擊鏡座后向上運(yùn)動的鏡頭再次發(fā)生碰撞。為解決濾光片的開裂問題，主要從以下2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：一是當(dāng)鏡頭撞擊到鏡座時(shí)，減小碰撞的力度，比如加大馬達(dá)彈簧的彈性系數(shù);二是提高攝像模組內(nèi)部抵抗鏡座上下振動時(shí)造成濾光片應(yīng)力增大的能力，如改變?yōu)V光片熱固膠的彈性模量E、膠寬a和膠厚b等。

2.2?馬達(dá)彈簧彈性系數(shù)對最大撞擊力和濾光片最大應(yīng)力的影響

取h=120 μm，保持其他參數(shù)不變，分別取馬達(dá)彈簧彈性系數(shù)k為5、10、20和40 N/m，研究其對最大撞擊力Fmax和濾光片最大應(yīng)力Smax的影響，仿真結(jié)果見圖8。

增大馬達(dá)彈簧的彈性系數(shù)k，對Fmax和Smax的影響不大。這主要是因?yàn)槭謾C(jī)從1 m高度跌落，初始撞擊速度較大而k較小，對仿真結(jié)果影響較小。因此，在后面計(jì)算中均采用馬達(dá)彈簧系數(shù)k=20 N/m。

由以上分析可知，在AF模組中置馬達(dá)中，當(dāng)鏡頭與鏡座之間的距離太小甚至低于馬達(dá)載體與馬達(dá)基體之間的距離時(shí)，跌落過程中極易造成濾光片失效，所以應(yīng)當(dāng)對鏡頭與鏡座之間的距離有一定要求，其必須大于馬達(dá)載體與馬達(dá)基體之間的距離。后續(xù)計(jì)算中取h=200 μm，研究鏡頭未與鏡座發(fā)生撞擊時(shí)如何提高攝像模組內(nèi)部抵抗鏡座上下振動時(shí)造成濾光片應(yīng)力增大的能力，研究E、a和b等對濾光片應(yīng)力大小的影響，并得到手機(jī)的極限跌落高度Hmax。

2.3?熱固膠彈性模量E對濾光片應(yīng)力的影響

在保證其他材料參數(shù)不變的情況下，分別取E為100.00、500.00、1 000.00、5 000.00和10 000.00 MPa，研究其對Smax的影響，分析結(jié)果見圖9a）。由此可知：Smax隨E的變化不明顯?？紤]手機(jī)跌落過程中濾光片脫落的情況，研究熱固膠黏結(jié)強(qiáng)度與彈性模量E的關(guān)系，見圖9b）。由此可知：熱固膠黏結(jié)強(qiáng)度隨其彈性模量的增大而增大，若取極限黏結(jié)強(qiáng)度為10.00 MPa，則熱固膠彈性模量過大時(shí)，極易造成濾光片的脫落。

2.4?熱固膠膠寬和膠厚對濾光片應(yīng)力的影響

在保證其他材料參數(shù)、尺寸不變的情況下，改變熱固膠膠層的寬度a和厚度b，研究其對濾光片最大應(yīng)力Smax的影響。采用曲面響應(yīng)分析方法，仿真結(jié)果見圖10。由此可知，Smax隨著b的增大而減小，隨著a的增大先增大后減小。該結(jié)論可以為后續(xù)生產(chǎn)過程中熱固膠的用法與用量提供指導(dǎo)。

2.5?極限跌落高度

改變手機(jī)正面跌落時(shí)的跌落高度，采用上述得到的最優(yōu)解條件，即取E=5 000.00 MPa，a=0.35 mm，b=0.03 mm，計(jì)算濾光片所能承受的最大跌落高度Hmax，結(jié)果見圖11。同時(shí)，應(yīng)注意在手機(jī)跌落過程中濾光片是否脫落。

由此可知，在Hmax>2 m（此時(shí)Smax為147.59 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度為9.46 MPa）時(shí)，濾光片的最大應(yīng)力和熱固膠的黏結(jié)強(qiáng)度均超過許用應(yīng)力值，手機(jī)攝像模組失效風(fēng)險(xiǎn)極高。

3?試?驗(yàn)

3.1?樣品制備

選用合適的熱固膠對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。選用4款常用熱固膠，利用萬能拉伸機(jī)得到其彈性模量，利用水平推力機(jī)得到其黏結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見圖12。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，選用第Ⅳ款熱固膠，其彈性模量E約為1 020 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度約為12.55 MPa。首先，利用點(diǎn)膠機(jī)將第Ⅳ款熱固膠涂敷于塑料支架上;然后，蓋上濾光片，調(diào)整工裝使濾光片與塑料支架間的距離保持膠寬a=0.35 mm、膠厚b=0.03 mm;最后，當(dāng)熱固膠固化后，將其與COB線路板半成品和馬達(dá)鏡頭組件粘貼在一起組裝成手機(jī)攝像模組，模組切面見圖13。熱固膠膠層厚度b和寬度a與試驗(yàn)要求一致。

對試驗(yàn)條件下的攝像模組進(jìn)行仿真，得到濾光片的最大應(yīng)力為116.10 MPa，熱固膠黏結(jié)強(qiáng)度為5.64 MPa，均未超出其許用應(yīng)力值。

3.2?跌落試驗(yàn)

試驗(yàn)采用HW06-2101型號的定向跌落試驗(yàn)機(jī)，選用高度控制，指定下落高度，并選中定向測試參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。將攝像模組放置在治具中（圖14），按圖15的方式進(jìn)行夾持，對攝像模組進(jìn)行單體跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)后拆分?jǐn)z像模組，在顯微鏡下對濾光片進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。由此可知：在跌落高度低于2.0 m時(shí)，濾光片基本保持完好;在2.5 m的跌落高度下，濾光片出現(xiàn)碎裂和脫落情況。這與模擬結(jié)果一致。跌落試驗(yàn)完成后完好的濾光片見圖16。

4?結(jié)束語

利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算，分析手機(jī)跌落過程中攝像模組濾光片的應(yīng)力變化，研究鏡頭與鏡座之間的距離對撞擊力和濾光片應(yīng)力的影響，以及馬達(dá)彈簧彈性系數(shù)、濾光片熱固膠彈性模量、濾光片熱固膠膠寬和膠厚等對濾光片應(yīng)力的影響，并對優(yōu)化后的攝像模組進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。手機(jī)跌落時(shí)，攝像模組中的馬達(dá)載體帶動鏡頭運(yùn)動撞擊到鏡座，是造成濾光片失效的主要原因。仿真計(jì)算結(jié)果對手機(jī)攝像模組鏡頭與鏡座之間的距離以及濾光片熱固膠的選取、用法和用量等提供指導(dǎo)。下一步可優(yōu)化鏡座結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行振動模態(tài)分析，從而有效解決跌落過程中濾光片的失效問題。

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（編輯?武曉英）