基于Pro/E的大屏幕智能手機(jī)堆疊設(shè)計(jì)

賀柳操

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151)

我國移動(dòng)通信技術(shù)從無到有，在歷經(jīng)二十幾年發(fā)展過程中，其終端設(shè)備--手機(jī)，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。手機(jī)從發(fā)明之初發(fā)展到今天，在其造型上經(jīng)歷了從直板到翻蓋，再從翻蓋到旋蓋、滑蓋，再到如今的全屏觸模大屏幕智能手機(jī)；在其功能上也從簡單的通話功能發(fā)展到了現(xiàn)代集多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、短信以及通話多功能為一身的智能化手機(jī)。隨著2010年6月7日，美國蘋果公司正式發(fā)布了其精心打造的3.5英寸全屏觸摸智能手機(jī)“Iphone4”，同年9月份“Iphone4”正式進(jìn)入中國大陸市場，該手機(jī)憑借其先進(jìn)的工藝、精細(xì)的造工以及良好的用戶體驗(yàn)，在國內(nèi)乃至全世界范圍內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)銷售神話。其它各大手機(jī)企業(yè)紛紛效仿“Iphone4”的設(shè)計(jì)，開發(fā)出一代又一代的大屏幕智能手機(jī)。到近年主流智能手機(jī)的顯示屏已經(jīng)達(dá)到5英寸以上，大屏幕帶來更好地用戶體驗(yàn)，同時(shí)也帶來了一系列的挑戰(zhàn)，例如：電池續(xù)航能力問題、觸摸屏易損問題等。任何新工藝、新技術(shù)在剛被開發(fā)出來時(shí)，都不是那么完美，它們需要開發(fā)者經(jīng)過不斷的摸索，歷經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終才能日趨成熟。本文就如何基于Pro/E設(shè)計(jì)出符合市場最主流需求的大屏智能手機(jī)堆疊技術(shù)做一翻探討。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前主流的智能手機(jī)品牌，例如蘋果、三星、HTC、魅族、中興、華為等等，其大屏智能機(jī)普遍都采用斷板式堆疊設(shè)計(jì)。斷板式堆疊設(shè)計(jì)它不同于以往的全板式PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)，以往全板的PCB設(shè)計(jì)是一整塊PCB板涵蓋了手機(jī)頭部到尾部，電池架在PCB板上即與PCB重疊；而斷板式設(shè)計(jì)則是將PCB板分割成頭、尾兩塊，把電池放在兩塊PCB板之間，這樣做的好處是電池不必與PCB板重疊、整機(jī)厚度可以做得更薄并且電池體積可以做得更大，電池體積跟電池的容量是成正比的，所以斷板式堆疊設(shè)計(jì)在一定程度上可以讓電池容量做得更大。

為了滿足人們對手機(jī)個(gè)性化的追求，斷板式設(shè)計(jì)其實(shí)又可以設(shè)計(jì)成為很多種，除了傳統(tǒng)的頭、尾斷板，還有“L”形PCB板，“匚”形PCB板，甚至各種不規(guī)則的板形搭配都可以。

2 手機(jī)設(shè)計(jì)一般流程

在手機(jī)設(shè)計(jì)的具體流程中，首先是根據(jù)客戶所指定的功能配置開始，如手機(jī)將要達(dá)到的功能、規(guī)格大小等信息；其次堆疊結(jié)構(gòu)工程師再根據(jù)產(chǎn)品定義去進(jìn)行初版堆疊設(shè)計(jì)，使用Pro/E軟件設(shè)計(jì)出初版的主板堆疊3D模型，并在主板上畫出貼片擺件區(qū)域，供硬件設(shè)計(jì)部來評估各種芯片和電子元件是否擺放得下；然后通過硬件評估，得出主板上的貼片擺件區(qū)面積足夠，即可由堆疊結(jié)構(gòu)工程師再生成最終的六視角堆疊線框圖，供ID設(shè)計(jì)師做具體的外觀造型設(shè)計(jì)；最后ID設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出來的外觀造型被客戶認(rèn)可以后，再由ID工程師導(dǎo)出2D六視角的機(jī)殼外觀造型曲線圖，提供給手機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行最終的機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，一款手機(jī)的設(shè)計(jì)通常需要由公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部、硬件設(shè)計(jì)部和市場部等多部門協(xié)同完成，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部主要承擔(dān)主板堆疊結(jié)構(gòu)和手機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3 基于P r o/E的大屏幕智能手機(jī)堆疊設(shè)計(jì)

基于Pro/E的大屏幕智能手機(jī)堆疊設(shè)計(jì)，其內(nèi)容主要包括手機(jī)PCB板3D建模、結(jié)構(gòu)元器件擺放、布件區(qū)域限高圖設(shè)計(jì)、堆疊主控零部件設(shè)計(jì)和堆疊干涉檢查等內(nèi)容。一個(gè)良好的布件架構(gòu)可以節(jié)省很多手機(jī)內(nèi)部空間，對后期的外觀造型和機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有巨大的幫助。下面就如何設(shè)計(jì)一個(gè)符合市場主流需求的大屏智能手機(jī)堆疊，逐步作一個(gè)闡述和探討。

3.1 基于P r o/E的手機(jī)P C B板3 D建模

應(yīng)用ProE軟件，在作好相關(guān)選項(xiàng)的設(shè)置后，進(jìn)入草圖模式即可定義主PCB板的外形設(shè)計(jì)，通過拉伸將主PCB板拉伸成1mm厚，完成初步的主體設(shè)計(jì)，后續(xù)再根據(jù)需要完成相關(guān)螺絲孔、定位孔的設(shè)計(jì)。使用同樣的方法新建一個(gè)副板PCB零件，設(shè)計(jì)一塊副板PCB。一般情況下主板PCB設(shè)計(jì)得相對大一點(diǎn)，用來放手機(jī)芯片相關(guān)物料及手機(jī)主要元器件；而副板PCB可設(shè)計(jì)得相對小一點(diǎn)，主要用來作為天線設(shè)計(jì)區(qū)域，同時(shí)也可以放置一個(gè)15mmx11mmx3.6mm的喇叭。主板放在手機(jī)頭部，副板放在手機(jī)尾部，而兩塊板子中間放置電池，如圖1所示，這就是典型的斷板式堆疊設(shè)計(jì)。主、副板之間的數(shù)據(jù)傳輸靠一塊FPC柔性板來連接，而RF信號則通過一根同軸線來連接。

3.2 基于P r o/E的結(jié)構(gòu)元器件擺放

在PCB板3D模型以及其它結(jié)構(gòu)元器件3D模型都準(zhǔn)備好之后，即可進(jìn)行堆疊擺件。一款智能手機(jī)上的元器件主要包括：顯示屏、電池、喇叭、聽筒、話筒、攝像頭、耳機(jī)插座、USB插座、按鍵、震動(dòng)馬達(dá)、SIM卡、T-flash卡等。堆疊設(shè)計(jì)師將通過ProE軟件的裝配模塊，首先選擇主PCB板的3D模型文件，將其位置固定好；然后再分別將其他的元器件裝配到位。在裝配顯示屏3D模型時(shí)，需要將顯示屏架在主板PCB上，當(dāng)主板PCB上需要放置手機(jī)芯片等貼片電子料時(shí)，則需要留出合適的安全距離，避免顯示屏碰到主板上的貼片電子料。一般情況下顯示屏底部到主板PCB之間距離留1.6～1.8 mm即可，但是對于大屏幕的手機(jī)而言，整機(jī)強(qiáng)度顯然致關(guān)重要，結(jié)構(gòu)上往往會需要在顯示屏和主板PCB之間設(shè)計(jì)一塊較大的金屬鋼板來增加整機(jī)強(qiáng)度，所以這種情況下安全間隙需要在1.6～1.8mm的基礎(chǔ)上再考慮金屬鋼板的厚度。例如一金屬鋼板件的厚度為0.5mm，則在堆疊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把顯示屏移到主板PCB的安全距離2.2mm以上。

圖15.0＂L C D的智能手機(jī)斷板式堆疊圖

圖25.0＂L C D的智能手機(jī)主板限高圖

堆疊擺件過程中還需要重點(diǎn)關(guān)注的一點(diǎn)，是需要設(shè)計(jì)師充分考濾到元器件的實(shí)際公差，留出足夠安全距離。在實(shí)際生產(chǎn)中任何零部件都是有一定范圍的公差，不可能完全100%跟設(shè)計(jì)圖紙相同；在堆疊設(shè)計(jì)時(shí)就需要注意SMT水平公差、焊錫厚度公差、五金件平整度、裝配配合公差以及各個(gè)結(jié)構(gòu)元器件本身的公差。

3.3 基于P r o/E的布件區(qū)域限高圖設(shè)計(jì)

在Pro/E軟件中完成了結(jié)構(gòu)元器件的擺放之后，初版的堆疊設(shè)計(jì)告一段落。此時(shí)需要堆疊設(shè)計(jì)師在PCB板上畫出可以用來放置手機(jī)芯片和所有貼片電子物料的區(qū)域，并且明確畫出哪些區(qū)域可以放高器件、哪些區(qū)域只能放矮器件，給出具體的限制放置高度，這個(gè)工作完成后需導(dǎo)出一比一大小的2D線框圖，即布件區(qū)域限高圖，如圖2所示。硬件部門的布局工程師根據(jù)布件區(qū)域限高圖來評估手機(jī)所有芯片和所有貼片電子料是否全部能放得進(jìn)去。堆疊設(shè)計(jì)師在做布件區(qū)域限高圖的時(shí)候，同樣需要考濾到SMT水平公差，以及裝配配合公差等等。

在Layout工程師評估認(rèn)為PCB板擺件面積足夠，確定此堆疊方案可行，這時(shí)則可以由堆疊設(shè)計(jì)師從堆疊3D模型文件中導(dǎo)出六面視角的堆疊線框圖到2D文件中，把此2D文件交給ID造型工程師去設(shè)計(jì)手機(jī)的最終外觀造型。造型確定之后機(jī)殼結(jié)構(gòu)工程師才做后續(xù)的殼子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.4 基于P r o/E的堆疊主控零部件設(shè)計(jì)

堆疊上的一些主控零部件，主要是指主板PCB上面的屏蔽罩、轉(zhuǎn)接FPC、同軸線以及其它輔助物料。需要堆疊設(shè)計(jì)師使用Pro/E軟件把這些零件都一個(gè)一個(gè)準(zhǔn)確地畫出來，可參照前面的PCB板3D建模步驟完成這些畫圖工作。由于這些零部件會直接跟后期的機(jī)殼結(jié)構(gòu)有裝配關(guān)系，因此要求堆疊設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)這些零部件的時(shí)候要充分考慮到后期機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，使整個(gè)機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。為便于理解，需要堆疊設(shè)計(jì)師做一份詳細(xì)堆疊說明書，以便機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師參考。

3.5 基于P r o/E的堆疊干涉檢查

堆疊干涉檢查主要包括檢查堆疊上各個(gè)結(jié)構(gòu)元器件之間是否干涉、所有元器件是否和PCB板干涉、屏蔽罩是否與貼片電子元器件干涉，不能有干涉并且裝配元器件之間要求留出一定的安全間隙，目的是為了防止元器件損壞或者防止某些導(dǎo)電元器件在手機(jī)通電之后造成電路短路。

基于ProE軟件進(jìn)行堆疊干涉檢查，要求堆疊設(shè)計(jì)師首先打開Pro/E軟件，點(diǎn)擊打開按鈕，然后找到堆疊總裝配文件并且將其打開。如果裝配文件里面零部件不多的話，可以直接使用全局干涉命令來檢查整個(gè)總裝配文件中存在的所有干涉；在Pro/E軟件中的步驟為，依次點(diǎn)擊菜單命令中的“分析”=＞“模型”=＞“全局干涉”，然后點(diǎn)預(yù)覽按鈕，軟件系統(tǒng)就會自動(dòng)進(jìn)行全局干涉分析檢查。如果裝配文件里面的零部件實(shí)在是太多的情況下，使用全局干涉檢查就會降底工作效率，此時(shí)可以使用配合間隙命令來檢查兩個(gè)小零件之間的相對干涉；在Pro/E軟件中的步驟為，依次點(diǎn)擊菜單命令中的“分析”=＞“模型”=＞“配合間隙”，然后在左邊模型樹列表中分別點(diǎn)選兩個(gè)需要檢查的小零件，軟件系統(tǒng)就會自動(dòng)進(jìn)行相對干涉分析檢查。發(fā)現(xiàn)干涉之后，依據(jù)實(shí)際情況使用Pro/E軟件對造成干涉的零件進(jìn)行局部切除，或者依據(jù)實(shí)際情況在裝配文件中調(diào)整干涉零件的相對裝配位置，以達(dá)到消除干涉的目的。

4 結(jié)語

本文以目前最為主流的大屏幕智能手機(jī)為例，分別闡述了目前智能手機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)流程和基于Pro/E的大屏幕智能手機(jī)的PCBA堆疊設(shè)計(jì)的過程。通過手機(jī)在堆疊設(shè)計(jì)流程的劃分，實(shí)現(xiàn)了如何設(shè)計(jì)出一款功能齊全、結(jié)構(gòu)可靠并且電池容量可以盡量做到最大的智能手機(jī)的方法，遵循以上設(shè)計(jì)規(guī)則，進(jìn)行大屏幕智能手機(jī)的設(shè)計(jì)，可使研發(fā)部門在新產(chǎn)品開發(fā)的道路上能做到更科學(xué)有效。

[1]趙勇.基于P r o/E的手機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].科協(xié)論壇, 2013,(1):121-122.