手機主攝像頭跌落仿真和優化設計

占智貴　劉明建

摘要：為有效解決智能手機主攝像頭藍玻璃的脆性開裂問題，開展主攝像頭跌落的有限元仿真和高加速度沖擊測試，結果表明：在高加速度下產生的碰撞力是導致藍玻璃開裂的根本原因.優化設計方案有效降低藍玻璃的應力，解決藍玻璃的開裂問題.

關鍵詞：手機； 主攝像頭； 藍玻璃； 可靠性； 脆性開裂； 跌落測試； 沖擊測試； 威布爾分布

中圖分類號： TN929.53；TB115.1

文獻標志碼：B

Abstract：To solve the brittle cracking problem of blue glass in the main camera of intelligent mobile phone effectively， the finite element simulation are performed on the main camera drop and the high acceleration impact test is carried out. The results show that the impact force generated at high acceleration is the main factor that leads to the brittle cracking of blue glass. The optimization design schemes can effectively reduce the stress of blue glass， by which the problem of brittle cracking of blue glass is solved.

Key words：mobile phone； main camera；blue glass； reliability； brittle cracking； drop test； impact test； Weibull distribution

0引言

進入智能手機時代，超薄、極致拍照成為手機發展的趨勢.超薄會削弱手機的剛度，降低對攝像頭的保護能力；極致拍照需要增大主攝像頭的尺寸，使攝像頭本體的最大尺寸達到10 mm左右，尺寸增大也導致攝像頭本體剛度的降低.跌落測試下攝像頭變形增加，內部脆性元件藍玻璃開裂失效率明顯上升.手機藍玻璃開裂實物見圖1.

攝像頭藍玻璃的開裂問題是近2年出現的新問題，目前國內還沒有文獻單獨研究藍玻璃的沖擊開裂失效問題.

本文首先通過三點彎曲測試方法測定藍玻璃的強度，運用威布爾分布方法確定開裂的應力閾值；

然后建立攝像頭和手機結構的詳細有限元模型，在整機中進行跌落仿真，分析藍玻璃的應力分布.采用垂直式沖擊試驗臺對攝像頭單體進行加速度沖擊試驗，證實導致藍玻璃開裂的原因是攝像頭內部撞擊.

1主攝像頭內部結構簡介

攝像頭結構可以分為4部分：鏡頭載體、殼體、藍玻璃和主板，其內部剖面見圖2.藍玻璃為脆性材料，采用膠水貼附在殼體的塑膠面上.

2藍玻璃開裂閾值的確定方法

2.1藍玻璃開裂強度測定

通常可以采用三點彎曲測試方法測定藍玻璃的開裂強度.將藍玻璃兩端支撐，在跨中施加集中力直至藍玻璃斷裂，測試結果見圖3.

2.2威布爾分布方法確定開裂的應力閾值

根據三點彎曲的測試結果可知，藍玻璃開裂強度的離散性較大，如果采用常規的平均強度值作為開裂應力閾值，會導致失效概率太大.

威布爾分布方法廣泛運用于可靠性工程中，電子和機械行業的很多企業將其應用于可靠性和使用壽命分析中.[1-6]由于應力值越小失效概率越低，通常不同的行業和企業根據自身情況確定失效概率.采用威布爾分布方法處理藍玻璃三點彎曲測試的強度數值，得到強度和概率的分布曲線，見圖4.

筆者所在公司通常選擇10%失效概率對應的強度數值作為控制開裂的應力閾值，據此確定藍玻璃的開裂應力閾值為70 MPa.

3跌落仿真方法

3.1網格劃分和前處理

網格劃分是有限元分析的基礎.手機塑膠殼體采用2階四面體單元C3D10M，五金件采用六面體單元以提高時間步長、計算速度和精度；蓋板玻璃采用六面體單元；主板采用實體殼單元；主板上的器件若非重點關注，則可以簡單劃分成六面體單元.[7-9]

攝像頭殼體采用2階四面體單元C3D10M，內部的藍玻璃采用實體殼單元，輸出藍玻璃的應力場變量，并將最大主應力作為歷史變量輸出.

將常用的材料屬性分別賦予手機的各個零件，設置好通用接觸和相應的邊界條件.為縮短動態跌落仿真分析的計算時間，定義合適的質量縮放因數，整機質量放大因數控制在5%以內.整機網格劃分和前處理完成結果見圖5.

3.2跌落仿真分析和結果

在用戶使用過程中，手機跌落方向往往是隨機的，面、角、邊均可能受到碰撞.跌落方向對整機受力有顯著影響.[10]為全面評估跌落的可靠性，根據手機結構特點，面、角、邊都需要選擇數個方向進行跌落仿真.通過大量仿真，發現手機正面方向跌落時攝像頭藍玻璃的應力最大（結果見圖6），最高應力達到128 MPa，而藍玻璃的應力控制閾值為70 MPa，開裂風險很高.

觀察仿真動畫可知，攝像頭的鏡頭載體與藍玻璃背面的塑膠發生明顯撞擊.輸出此處的撞擊力，最大達到60.91 N.鏡頭載體的質量約0.21g，仿真計算的豎向的加速度峰值為2.95×104g，估算最大的豎向沖擊力約為61.95 N.估算的沖擊力與仿真計算的沖擊力基本吻合.在高速沖擊下，鏡頭載體的質量雖然很小，但是由于加速度達到2.95×104g，相當于質量放大2.95萬倍，因此沖擊力很大，足以導致藍玻璃開裂.

4攝像頭單體沖擊可靠性測試

通過上述仿真，初步分析是攝像頭內部的鏡頭載體與藍玻璃所貼附的塑膠面發生撞擊，導致藍玻璃開裂.為排除攝像頭與手機殼體結構發生撞擊導致開裂的可能性，開展攝像頭單體沖擊可靠性測試.主攝像頭沖擊試驗見圖7.試驗采用某型垂直式沖擊臺，將攝像頭單體固定于沖擊臺的臺面上.設置沖擊高度，進行高加速度沖擊.沖擊臺產生正弦形狀的加速度波形，加速度峰值為2.2×104g，帶寬為0.06 ms.

通過試驗可以判斷，在高加速度下，攝像頭內部的鏡頭載體與藍玻璃碰撞是導致藍玻璃開裂的根本原因.該結論為攝像頭的優化設計指明方向.

5攝像頭優化設計

解決藍玻璃開裂問題的思路有2個：一是減小碰撞的力度，二是提高攝像頭內部抵抗碰撞的能力.優化設計方案見圖8.

由表1可知，優化設計方案對藍玻璃的應力有顯著改善，case 4應力為32 MPa，而藍玻璃開裂閾值為70 MPa，藍玻璃開裂風險得到有效控制.

對優化設計后的攝像頭進行跌落可靠性驗證，證明藍玻璃開裂問題解決.

6結束語

1）通過實測確定藍玻璃的強度，再采用威布爾分布方法確定開裂的應力閾值，該方法運用于仿真分析可行.

2）使用Abaqus進行有限元仿真，在設計階段就可以及時發現主攝像頭設計缺陷，通過試驗與仿真相結合的方法排查開裂原因，選擇正確的優化設計方法，并進行仿真驗證，可以大幅降低改模成本，縮短新項目開發時間.

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（編輯武曉英）