手機柱狀馬達停轉(zhuǎn)問題的分析與研究

許 超 李瑞敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

智能手機的振動反饋是通過其內(nèi)部的馬達模組所產(chǎn)生的，隨著智能手機的發(fā)展市場上出現(xiàn)了各種各樣的馬達模組，按照馬達模組的形狀可以分為柱狀馬達、扁平馬達，按照其功能可以分為線性馬達和非線性馬達。

選用柱狀馬達，為AWA 的FS-3075，如圖1 所示，是行業(yè)內(nèi)應用較為普遍的類型。此柱狀馬達由振子、外殼、軸承、磁鐵、軸、墊圈、銅線、鐵芯、整流子、壓敏電阻、電刷、軸承、端蓋、FPC 組成。其工作原理是：馬達內(nèi)部有兩個磁鐵，形成一個N/S 級的磁場，通過給馬達通電，讓線圈所在的鐵芯在磁場的作用力下帶動振子產(chǎn)生振動[1]。

開發(fā)過程中，柱狀馬達出現(xiàn)測試停止振動的現(xiàn)象，此問題會嚴重影響用戶體驗。為了充分的認識和避免此類問題的反復出現(xiàn)，本文從實際生產(chǎn)問題出發(fā)，對此問題進行了全面的分析與深入研究。

1 馬達常溫壽命試驗

1.1 試驗內(nèi)容

試驗數(shù)量：10 個

試驗條件：在常溫常濕下，以額定電壓驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)，2 秒開1 秒關，持續(xù)循環(huán)10 萬次

判定標準：試驗后常溫恢復2 H，轉(zhuǎn)速和電流變化率小于30 %，阻值變化率小于15 %，其他特征在規(guī)格內(nèi)

試驗測試：抽取5 臺組裝后的樣機進行常溫壽命試驗測試

試驗結果：其中5 臺機器中出現(xiàn)4 臺測試NG，循環(huán)運轉(zhuǎn)次數(shù)5 000 次

異常情況：對停止振動的手機進行拆機，拆機后取出馬達，用手敲擊馬達后又能繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

1.2 問題分析

馬達樣品型號：FS-3075

馬達批次型號：%83U

馬達生產(chǎn)日期：2018-03-30

馬達分析數(shù)量：2 個

1）外觀分析

外觀檢查：取出1 個馬達（1#）在顯微鏡下觀察，該制品馬達外觀結構無異常，轉(zhuǎn)動檢查無卡阻感，如圖2 所示。

圖2 柱狀馬達#1 外觀檢測

2）電氣性能測試

①用內(nèi)阻計測試1#馬達阻抗，內(nèi)阻測試無異常。

②通電DC3.0V 進行電氣特性測試，1#馬達波形顯示波形無異常，如圖3 所示。

圖3 柱狀馬達#1 電氣性能檢測

復現(xiàn)性試驗：將取出的1#馬達放置于實驗室內(nèi)，通電DC3.0 V 按照2 000 ms ON/ 1 000 ms OFF 進行常溫試驗，4 H 內(nèi)1#馬達出現(xiàn)停振；2#馬達整機運行至4 H，未復現(xiàn)停振現(xiàn)象。

由此現(xiàn)象推測，導致馬達停止振動的原因為樣品內(nèi)部結構異常。

1.3 樣品分解分析

結合以上分析的原因，確定導致此問題的原因應該出現(xiàn)在樣品內(nèi)部，對馬達內(nèi)部不同零部件進行分析。

1）外殼軸承與軸

觀察#1 馬達樣品的外殼軸承和軸，無異常。

2）基板組

①在顯微鏡下觀察，基板組件無電刷變形、軸承傾斜等不良，內(nèi)腔及電刷上附著有磨損產(chǎn)生的碎屑（屬正常現(xiàn)象）；

②測試電刷間距、軸承內(nèi)徑均在規(guī)格范圍內(nèi)，如圖4 所示，無異常。

圖4 柱狀馬達#1 基板組

3）轉(zhuǎn)子組

①在顯微鏡下觀察，1#馬達整流子磨損狀態(tài)無異常，無鐵芯涂裝鼓包、端子掛線等不良；

②測試轉(zhuǎn)子三極內(nèi)阻均在規(guī)格范圍內(nèi)，如圖5 所示，無異常。

圖5 柱狀馬達#1 轉(zhuǎn)子組

4）外殼組

①在顯微鏡下觀察，1#馬達外殼內(nèi)腔表面光潔，無磁鐵脫落碎屑、軸承變形等不良；

②測試外殼軸承內(nèi)徑、磁通量大小等均在規(guī)格范圍內(nèi)，如圖6 所示，無異常。

圖6 柱狀馬達#1 外殼組

對馬達#1 進行拆機分解，未發(fā)現(xiàn)其中涉及不良結構零部件，判定導致停止振動的原因并非馬達本體零部件異常所致。

1.4 樣品成分分析

為進一步對1#馬達振動情況進行確認，取在庫品馬達2 PCS（A、B）、產(chǎn)線在制成品2 PCS（C、D），共計5 PCS 樣品，對5 PCS 馬達進行成分分析，具體如圖7所示。

圖7 柱狀馬達#1 換向器成分

通過EDS 掃描依次對所抽取樣品進行成分分析與對比，發(fā)現(xiàn)1#馬達整流子表面含“Si”元素，在庫品及在制品測試均無異常，如圖8 所示。

圖8 測試樣品成分分析表

2 停振失效機理分析

2.1 有害硅元素的來源

初步判定，馬達停止振動和馬達表面產(chǎn)生的Si 元素存在必然聯(lián)系，并且和Si 元素沉積的位置也有關系。

在手機整機內(nèi)部存在很多硅膠套，用于密封器件和緩沖撞擊，硅膠套中的主要材質(zhì)成分為有機硅聚合物。

有機硅聚合物的原料主要是環(huán)狀有機硅氧烷，通過在堿或酸催化劑作用下開環(huán)聚合便可制得聚有機硅氧烷。作為可使用的環(huán)硅氧烷來講，大致有二甲基環(huán)硅氧烷、甲基乙烯基環(huán)硅氧烷、甲基苯基狀硅氧烷、二苯基環(huán)硅氧烷、甲基三氟丙基環(huán)硅氧烷及甲基氫環(huán)硅氧烷等。

通過將這些環(huán)硅氧烷與不同種類的端基功能團組合，便可合成各種各樣的聚有機硅氧烷，其反應公式如圖9所示[2]。

圖9 平衡反應公式

在此平衡反應中，會生成低分子聚硅氧烷，低分子聚硅氧烷是指低分子環(huán)硅氧烷（D3-D20）和低分子線型體(D3 ～D6)。為了表述方便，一般用D3- D20 的總量測定來表示，其物理特性如圖10 所示。

圖10 低分子聚硅氧烷物理特性表

2.2 低分子聚硅氧烷的影響

1）導電接觸失效

早 在70 年 代 中 期，日 本Jateishi 電 子 公 司 的Yoshmura 等人發(fā)現(xiàn)：由于硅橡膠中殘存有少量低分子聚硅氧烷，當其制品在電子電器中長期使用時，特別是在較苛刻的條件下容易造成電接觸失效[3]。

2）對密閉空間光學透明元器件的影響

在密閉空間中，由于硅橡膠中的低分子環(huán)硅氧烷揮發(fā)充滿在整個密閉空間中，當?shù)头肿迎h(huán)硅氧烷在透明光學元器件上富集時，影響光學元器件的透光性，嚴重干擾光信號的傳遞和傳輸，甚至無法工作。

3）涂覆工藝的不良現(xiàn)象

作為電子披覆膠來講，由于PCB 板涂層很薄，低分子聚硅氧烷隨時間的延長，逐漸會從涂層逃逸出來造成涂層的缺陷，使其達不到“三防”的效果。

2.3 低分子聚硅氧烷的導致失效的原因

聚硅氧烷對電器接點的污染一方面是直接因其低的表面張力而使電器接點表面產(chǎn)生蠕變，另一方面，間接污染則來自聚硅氧烷本身的揮發(fā)和在接點表面的沉積。此外，殘留在聚合物如硅橡膠中的低分子量聚硅氧烷也會逐漸揮發(fā)。

由于上述原因，這些低分子環(huán)硅氧烷因揮發(fā)而充滿于電接觸空間，而電接觸時常會產(chǎn)生電弧及電火花，低分子聚硅氧烷在電弧作用下會反應生成Si02及SiC 等物質(zhì)，在長期使用中，這些Si02和SiC 等便會沉積在導電接觸部位而形成一個絕緣層，從而導致電接觸失效。

2.4 試驗驗證

對于低分子聚硅氧烷而言，對硅膠進行硫化處理可以最大限度的降低硅膠中的低分子聚合物含量。

選擇40 個馬達樣品，分為四組，每組采用10 個馬達和不同狀態(tài)下的硅膠組合，放置于密封的空間中，采用常溫循環(huán)壽命測試方法，方案如圖11 所示。

圖11 驗證試驗組合表

試驗結果為：

第1 組沒有硅膠干擾，馬達振動84 H 小時，無停振；

第2 組非硫化硅膠干擾馬達，導致4 個馬達在24 H出現(xiàn)停振；

第3 組硫化1 H 硅膠對干擾馬達，導致1 個馬達在48 H 出現(xiàn)停振；

第3組硫化2 H硅膠對干擾馬達，馬達振動84 H小時，無停振。

2.5 針對低分子聚合物的防范措施

1）根據(jù)驗證試驗，在電器殼體內(nèi)部盡量減少使用硅膠制品，以消除其中低分子聚合物的影響和危害。

2）對于必須使用硅膠的情況，要求硅膠制品必須經(jīng)過兩次以上的硫化處理，以消除其中硅元素形成的低分子聚合物帶來的潛在影響，其中硅橡膠制品要求的低分子在聚合物滿足圖12。

圖12 低分子聚合物的含量要求

3 總結與展望

硅膠制品廣泛應用在日常生活電器、家電產(chǎn)品消費類電子產(chǎn)品以及大型工業(yè)產(chǎn)品中，其中形成的低分子聚合物會對電器功能造成嚴重的損傷[4]。本文通過對手機柱狀馬達失效現(xiàn)象進行了全面分析，從馬達外觀檢查到內(nèi)部零部件的分析檢測，最后通過成分分析得出影響馬達停振的原因為低分子聚硅氧烷。

系統(tǒng)總結了低分子聚硅氧烷造成的影響，闡述了低分子聚硅氧烷造成的失效機理，并最終通過試驗驗證了分析結果，最后給出相應的解決對策和措施，為家電行業(yè)以及消費類電子行業(yè)的開發(fā)設計人員提供了參考。