手機(jī)主攝像頭跌落仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

占智貴　劉明建

摘要：為有效解決智能手機(jī)主攝像頭藍(lán)玻璃的脆性開裂問(wèn)題，開展主攝像頭跌落的有限元仿真和高加速度沖擊測(cè)試，結(jié)果表明：在高加速度下產(chǎn)生的碰撞力是導(dǎo)致藍(lán)玻璃開裂的根本原因.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有效降低藍(lán)玻璃的應(yīng)力，解決藍(lán)玻璃的開裂問(wèn)題.

關(guān)鍵詞：手機(jī)； 主攝像頭； 藍(lán)玻璃； 可靠性； 脆性開裂； 跌落測(cè)試； 沖擊測(cè)試； 威布爾分布

中圖分類號(hào)： TN929.53；TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代，超薄、極致拍照成為手機(jī)發(fā)展的趨勢(shì).超薄會(huì)削弱手機(jī)的剛度，降低對(duì)攝像頭的保護(hù)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(dá)到10 mm左右，尺寸增大也導(dǎo)致攝像頭本體剛度的降低.跌落測(cè)試下攝像頭變形增加，內(nèi)部脆性元件藍(lán)玻璃開裂失效率明顯上升.手機(jī)藍(lán)玻璃開裂實(shí)物見圖1.

攝像頭藍(lán)玻璃的開裂問(wèn)題是近2年出現(xiàn)的新問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)還沒有文獻(xiàn)單獨(dú)研究藍(lán)玻璃的沖擊開裂失效問(wèn)題.

本文首先通過(guò)三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法測(cè)定藍(lán)玻璃的強(qiáng)度，運(yùn)用威布爾分布方法確定開裂的應(yīng)力閾值；

然后建立攝像頭和手機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)有限元模型，在整機(jī)中進(jìn)行跌落仿真，分析藍(lán)玻璃的應(yīng)力分布.采用垂直式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)攝像頭單體進(jìn)行加速度沖擊試驗(yàn)，證實(shí)導(dǎo)致藍(lán)玻璃開裂的原因是攝像頭內(nèi)部撞擊.

1主攝像頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

攝像頭結(jié)構(gòu)可以分為4部分：鏡頭載體、殼體、藍(lán)玻璃和主板，其內(nèi)部剖面見圖2.藍(lán)玻璃為脆性材料，采用膠水貼附在殼體的塑膠面上.

2藍(lán)玻璃開裂閾值的確定方法

2.1藍(lán)玻璃開裂強(qiáng)度測(cè)定

通常可以采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法測(cè)定藍(lán)玻璃的開裂強(qiáng)度.將藍(lán)玻璃兩端支撐，在跨中施加集中力直至藍(lán)玻璃斷裂，測(cè)試結(jié)果見圖3.

2.2威布爾分布方法確定開裂的應(yīng)力閾值

根據(jù)三點(diǎn)彎曲的測(cè)試結(jié)果可知，藍(lán)玻璃開裂強(qiáng)度的離散性較大，如果采用常規(guī)的平均強(qiáng)度值作為開裂應(yīng)力閾值，會(huì)導(dǎo)致失效概率太大.

威布爾分布方法廣泛運(yùn)用于可靠性工程中，電子和機(jī)械行業(yè)的很多企業(yè)將其應(yīng)用于可靠性和使用壽命分析中.[1-6]由于應(yīng)力值越小失效概率越低，通常不同的行業(yè)和企業(yè)根據(jù)自身情況確定失效概率.采用威布爾分布方法處理藍(lán)玻璃三點(diǎn)彎曲測(cè)試的強(qiáng)度數(shù)值，得到強(qiáng)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(duì)應(yīng)的強(qiáng)度數(shù)值作為控制開裂的應(yīng)力閾值，據(jù)此確定藍(lán)玻璃的開裂應(yīng)力閾值為70 MPa.

3跌落仿真方法

3.1網(wǎng)格劃分和前處理

網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ).手機(jī)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(shí)間步長(zhǎng)、計(jì)算速度和精度；蓋板玻璃采用六面體單元；主板采用實(shí)體殼單元；主板上的器件若非重點(diǎn)關(guān)注，則可以簡(jiǎn)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(nèi)部的藍(lán)玻璃采用實(shí)體殼單元，輸出藍(lán)玻璃的應(yīng)力場(chǎng)變量，并將最大主應(yīng)力作為歷史變量輸出.

將常用的材料屬性分別賦予手機(jī)的各個(gè)零件，設(shè)置好通用接觸和相應(yīng)的邊界條件.為縮短動(dòng)態(tài)跌落仿真分析的計(jì)算時(shí)間，定義合適的質(zhì)量縮放因數(shù)，整機(jī)質(zhì)量放大因數(shù)控制在5%以內(nèi).整機(jī)網(wǎng)格劃分和前處理完成結(jié)果見圖5.

3.2跌落仿真分析和結(jié)果

在用戶使用過(guò)程中，手機(jī)跌落方向往往是隨機(jī)的，面、角、邊均可能受到碰撞.跌落方向?qū)φ麢C(jī)受力有顯著影響.[10]為全面評(píng)估跌落的可靠性，根據(jù)手機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，面、角、邊都需要選擇數(shù)個(gè)方向進(jìn)行跌落仿真.通過(guò)大量仿真，發(fā)現(xiàn)手機(jī)正面方向跌落時(shí)攝像頭藍(lán)玻璃的應(yīng)力最大（結(jié)果見圖6），最高應(yīng)力達(dá)到128 MPa，而藍(lán)玻璃的應(yīng)力控制閾值為70 MPa，開裂風(fēng)險(xiǎn)很高.

觀察仿真動(dòng)畫可知，攝像頭的鏡頭載體與藍(lán)玻璃背面的塑膠發(fā)生明顯撞擊.輸出此處的撞擊力，最大達(dá)到60.91 N.鏡頭載體的質(zhì)量約0.21g，仿真計(jì)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(jì)算的沖擊力基本吻合.在高速?zèng)_擊下，鏡頭載體的質(zhì)量雖然很小，但是由于加速度達(dá)到2.95×104g，相當(dāng)于質(zhì)量放大2.95萬(wàn)倍，因此沖擊力很大，足以導(dǎo)致藍(lán)玻璃開裂.

4攝像頭單體沖擊可靠性測(cè)試

通過(guò)上述仿真，初步分析是攝像頭內(nèi)部的鏡頭載體與藍(lán)玻璃所貼附的塑膠面發(fā)生撞擊，導(dǎo)致藍(lán)玻璃開裂.為排除攝像頭與手機(jī)殼體結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊導(dǎo)致開裂的可能性，開展攝像頭單體沖擊可靠性測(cè)試.主攝像頭沖擊試驗(yàn)見圖7.試驗(yàn)采用某型垂直式?jīng)_擊臺(tái)，將攝像頭單體固定于沖擊臺(tái)的臺(tái)面上.設(shè)置沖擊高度，進(jìn)行高加速度沖擊.沖擊臺(tái)產(chǎn)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(guò)試驗(yàn)可以判斷，在高加速度下，攝像頭內(nèi)部的鏡頭載體與藍(lán)玻璃碰撞是導(dǎo)致藍(lán)玻璃開裂的根本原因.該結(jié)論為攝像頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向.

5攝像頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

解決藍(lán)玻璃開裂問(wèn)題的思路有2個(gè)：一是減小碰撞的力度，二是提高攝像頭內(nèi)部抵抗碰撞的能力.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案見圖8.

由表1可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)藍(lán)玻璃的應(yīng)力有顯著改善，case 4應(yīng)力為32 MPa，而藍(lán)玻璃開裂閾值為70 MPa，藍(lán)玻璃開裂風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制.

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的攝像頭進(jìn)行跌落可靠性驗(yàn)證，證明藍(lán)玻璃開裂問(wèn)題解決.

6結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)實(shí)測(cè)確定藍(lán)玻璃的強(qiáng)度，再采用威布爾分布方法確定開裂的應(yīng)力閾值，該方法運(yùn)用于仿真分析可行.

2）使用Abaqus進(jìn)行有限元仿真，在設(shè)計(jì)階段就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)主攝像頭設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法排查開裂原因，選擇正確的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可以大幅降低改模成本，縮短新項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間.

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（編輯武曉英）