《手机结构设计》 ( 节选 连载)

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第3章 手机通用件和材料
    本章提要 手机通用件和材料的选择是手机结构设计的基础。手机因其具有的巨大市场容量，催生了大量的通用件，需要设计师从选择的角度去掌握这些通用件的技术。使用通用件可以减少设计工作量、提升手机的研发速度、降低研发成本。手机产品的充分市场竞争，材料应用的多样化，对手机的结构材料选择提出了比其它电子产品更高的技术和成本的双重要求。










3.1 通用件
     手机的通用件是指在不同产品中可以互换使用的零部件和电子元器件。它们有专门的厂商设计和生产，整机设计时主要是根据产品需求做辨别和选择，不必自行设计。通用件可以大幅度的降低设计成本、设计周期和生产成本。
通用件是标准件的初级形式，当通用化达到一定的广度并为行业所接受时，就可以制定标准，上升为标准件。
手机作为产量最大的电子产品，为通用件的出现和发展提供了良好的市场空间和技术空间。在中国有数以万计的手机零部件配套厂商为手机整机厂商提供各种零部件。与手机结构相关的通用件主要有接插件、专用器件、专用结构件和紧固件。
此外，一些普通结构件也在成为通用件，例如按键和转轴等零部件也有专业的厂商在生产，可以选择使用。如果因产品的形状独特，也可以找这些专业厂商定做这些通用零部件，结构设计只要提一个大致的技术要求，由专业厂商设计细节，完成这些零部件的设计。
3.1.1 接插件
接插件（Connector）是无源器件。低频接插件的核心技术是机械结构、材料技术、电镀技术和精密模具制造技术。这些技术，结构工程师比硬件工程师更了解，所以接插件的确定是结构设计的重要工作。
高速接插件中还涵盖了比较多的电路技术，例如传输线技术，信号传输要采用差分信号。此时，高速连接器在结构上都完全屏蔽而且像对称电缆那样运行。这时要考虑的参数包括阻抗、传播延迟、时滞和串扰等因素。这些问题是结构工程师需要了解，硬件工程师需要负责的问题。
结构设计要从接插件的可靠性、防误插、焊接方式、安装位置、管脚间距、外形尺寸、材料、触点镀层、插拔力、屏蔽特性、耐温特性和成本等方面选择接插件。硬件设计从接线逻辑、管脚排列、接触电阻、阻抗匹配、击穿电压、耐电流、屏蔽特性和成本等方面考虑选择接插件。在选接插件时，双方应各自发挥专业所长共同协商，达成共识。
在产品设计之前一定要与硬件设计工程师确定好所有接插件的参数和规格型号。同时具备接插件的图纸和实物样品这两个条件，才可以开始设计。
特别是接插件的图纸和实物样品有不一致时要将问题了解清楚后再进行后续的设计。结构工程师选择接插件的结构方面要点如下。
1．焊接方式
    接插件的封装主要分为表面贴装（SMT）焊接和双列直插（DIP）焊接两种，它们分别需要采用回流焊和波峰焊的生产工艺。为了避免焊接时需要两种生产工艺，手机接插件以全部采用SMT为好。
通常在接插件的规格书中会规定焊接的温度和焊接时间，常见的接插件焊接参数是波峰焊(DIP)接250～265℃，10～14s；回流焊（SMT）250～265℃,20～40s。这是焊接工艺的依据。
特别说明，在接插件由于某种原因需要手工焊接时，由于手工焊接的电烙铁温度较高，焊接时间要大大缩短，例如可采用350℃，3.5s的焊接工艺，不合适的焊接温度和时间主要会破坏接插件的塑料外壳，造成接插件的损伤。
2．材料
接插件的封装材料为热塑性塑料，需要采用耐高温的塑料，以适应现在的无铅焊接要求。普通接插件常用的塑料为聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSU）、聚苯醚（PPO）等。
高速接插件常用的塑料为聚砜（PSU）、液晶聚合物（LCP）和聚对苯二酰对苯二胺（PPA）。接插件的外壳，如Micro USB插座，通常采用锡青铜和不锈钢制成。
接插件的管脚采用铍青铜和锡青铜制成，对于弹性触点，如Micro USB插座和电池触点需要采用铍青铜，其弹性和可靠性远比锡青铜要好；非弹性触点可以采用锡青铜。更多的接插件材料方面资料可以参见《电子产品结构材料特性及其选择方法》（人民邮电出版社 2010.4）。
3．触点镀金
接插件的管脚需要表面镀金，以利于焊接和防止氧化。通常有几种镀金厚度，0.38um，0.76um，1.50um。越厚的镀层接触可靠性越好，可靠性也越好，当然价格也越贵。对于需要反复插装的弹性触点要取1.50um厚的镀金层，对于焊接的管脚可取0.38um或0.76um厚的镀金层。
接插件的镀金标准可参见GJB1941《金电镀层规范》，接插件的镀金层检验方法可参见SJ/T20515 《金电镀层薄层电阻测试方法》和GB/T 12305.6 《金属覆盖层金和金合金电镀层的试验方法》。
4．插拔力
    接插件的插拔力是装配可靠与否和舒适与否的重要参数。通常接插件的插入力和拔出力是不一样的，插入力往往比较大，拔出力比较小，这与接插件的弹性触点导入导出角有关，也与接插件的内部结构细节有关。
在手机接插件中由于接插件的Pin数较少，通常插入力是不大的，不是要关注的重点，反而是拔出力太小的话会导致使用时接插件的意外脱出，这是要关注的重点。
5．接插件的结构
接插件的结构组成也是需要仔细观察和分析的内容，比如，结构是否连接可靠，触点有无晃动，是否会因为间距过小而导致连焊。
6．接插件的屏蔽性能
用于产品外部接口的接插件，如USB插座等，均需要具备电磁屏蔽性能。以防止电磁干扰和静电击穿。
7．接插件的测试
接插件在开始使用时往往不容易看出质量差异，问题大都出在长期可靠性上，比如USB插座使用一段时间后的接触不良，所以在选择时要特别注意接插件的规格中的上述要素的状况。
接插件的测试可以参照相应标准进行。有可焊性试验、盐雾试验，以及插拔力、插拔次数和镀层测厚等测试，这样可以充分验证和比较不同厂商的接插件的差异。
8．手机常用接插件
手机常用接插件如表3-1所示。手机常用接插件的通用化程度不断在提高，有些已经有国际标准如充电器接口Micro USB插座和SD存储卡。有些有行业标准如直径2.5mm的耳机插口。目前接插件差异比较大的是数据、充电、音频几合一的插座和插头，选用时要注意区别。手机接插件的生产厂商众多，可以根据接插件的性价比选取。
国内相关手机接插件标准可参见 YD/T1591－2006《移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法》、YD/T 1885-2009 《移动通信手持机有线耳机接口技术要求和测试方法》、《移动通信手持机外部接口通用技术要求》(征求意见三稿 2008.12)。


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