手機(jī)后蓋材質(zhì)的發(fā)展研究

林協(xié)源

（維沃移動(dòng)通信有限公司，東莞 523859）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，手機(jī)在短短的20年間從軟件到硬件、從電子到結(jié)構(gòu)，已升級(jí)換代多次。在手機(jī)正面幾乎千篇一律的情況下，手機(jī)后蓋早已從最開(kāi)始的手機(jī)功能保護(hù)傘轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懫放菩蜗蟆⑵髽I(yè)形象、吸引消費(fèi)者購(gòu)買和提升消費(fèi)者產(chǎn)品體驗(yàn)等的重要內(nèi)容。

手機(jī)后蓋材質(zhì)需要具有良好的導(dǎo)熱性、較高的強(qiáng)度硬度、對(duì)電磁信號(hào)影響小以及尺寸穩(wěn)定性等物理性能，滿足外觀工藝豐富且效果美觀的美學(xué)需求，提高了手機(jī)的可靠性，并兼具藝術(shù)性。它基本可以分為塑膠材質(zhì)、金屬材質(zhì)和無(wú)機(jī)非金屬材質(zhì)。按出現(xiàn)的先后順序，文章主要介紹各材質(zhì)的優(yōu)劣點(diǎn)和主要成型工藝。

1 塑膠材質(zhì)

根據(jù)塑膠材質(zhì)，手機(jī)后蓋主要分為注塑成型類后蓋、復(fù)合板材類后蓋和素皮類后蓋。

1.1 注塑成型類后蓋

功能機(jī)和早期的智能機(jī)后蓋以塑膠居多，主要由熔融狀的塑膠經(jīng)由模具注塑成型。注塑成型可以一次成型出形狀復(fù)雜、尺寸精確和帶有嵌件的塑膠制品，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[1]。相比金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，模具成型的塑膠后蓋造型復(fù)雜多樣。除了造型多樣性，塑膠后蓋外觀面可以通過(guò)模具曬紋形成效果迥異的外觀紋路。通常塑膠后蓋的外觀面可以通過(guò)噴涂上色給手機(jī)帶來(lái)更多外觀效果，如iPhone 3G后蓋便采用“PC注塑成型+噴涂”工藝。

手機(jī)后蓋常用材質(zhì)可分為PC（聚碳酸酯）、PC+ABS（聚碳酸酯+丙烯腈）、PC+GF（聚碳酸酯+玻璃纖維）和ABS（丙烯腈）等。它的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示[2]。

1.2 復(fù)合板材類后蓋

隨著技術(shù)的迭代進(jìn)步，塑膠材質(zhì)在外觀上的成型工藝愈發(fā)豐富，如復(fù)合板材后蓋（PMMA+PC）。由于IMD類后蓋（一種通過(guò)注塑成型的類板材后蓋）現(xiàn)在應(yīng)用較少，這里不再展開(kāi)介紹。板材后蓋對(duì)天線信號(hào)具有無(wú)遮蔽性，使得其在5G時(shí)代廣泛應(yīng)用于中低端機(jī)型。復(fù)合板材后蓋的優(yōu)點(diǎn)是成本低、紋理效果好，可做到與玻璃后蓋一樣的外觀效果。它的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，受力后容易出現(xiàn)開(kāi)裂（內(nèi)、外裂穿）和油裂（內(nèi)部紋理受損呈開(kāi)裂狀）等問(wèn)題，對(duì)手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的順滑過(guò)渡要求較高。

復(fù)合板材后蓋按結(jié)構(gòu)形式可分為2.5D后蓋和3D后蓋。2.5D后蓋的成型工藝大致為“印刷Logo—印刷光油—膠印—UV紋理加工—電鍍（不同外觀工藝不同）—印刷蓋底油漆（通常5道）—計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer Numerical Control，CNC）落料”；3D后蓋的成型工藝大致為“印刷Logo—印刷光油—膠印—UV紋理加工—電鍍—印刷蓋底油漆（通常5道）—高壓3D成型—淋涂加硬層—CNC落料”?？梢?jiàn)，相比2.5D板材后蓋，3D板材后蓋的成型工藝主要引入了高壓成型和淋涂工藝。其中，高壓成型是先將片材加熱到一定溫度，之后吹氣加壓將片料壓入凹模中。此過(guò)程中板料外觀面帶硬化層必然會(huì)開(kāi)裂，因此高壓成型后需要淋涂增加硬化層，以提升后蓋表面硬度。

板材后蓋疊層主要包括硬化層、PMMA+PC、Logo+光油層、腳印層、UV膠+紋理層、鍍層以及5層油漆。其中，片材（PMMA+PC層）常用厚度為0.50 mm、0.65 mm和0.80 mm，相對(duì)應(yīng)的成品厚度分別約為0.55 mm、0.72 mm和0.86 mm。

1.3 素皮類后蓋

近年來(lái)，傳統(tǒng)塑膠后蓋煥發(fā)新生機(jī)，與PU（聚氨酯）皮料組合后，頻頻出現(xiàn)在中高端機(jī)型上。此類組合的后蓋通常稱為素皮后蓋，結(jié)構(gòu)疊層示意圖，如圖1所示。由上往下疊層依次為“PU皮料（厚度約0.50 mm）—熱熔膠（厚度約0.05 mm）—塑膠后蓋（注塑成型，厚度約0.75 mm）”；皮料邊緣由一圈塑膠圍骨包住。它的成型工藝大致為“皮料覆膜（用于皮料定位）—皮料備膠（熱熔膠）—沖切皮料—皮料預(yù)定在塑膠件上—修復(fù)邊緣皮料—熱壓后蓋—冷壓后蓋—沖切裝飾圈開(kāi)孔”。

素皮后蓋具有幾乎不影響信號(hào)收發(fā)、手感細(xì)膩、不沾指紋以及耐摔等優(yōu)點(diǎn)，但存在不耐磨、易臟污及導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)。此外，它自身結(jié)構(gòu)疊層較厚（設(shè)計(jì)厚度為1.3 mm，是目前最厚的后蓋方案），因此帶素皮后蓋手機(jī)通常比較厚。

2 金屬材質(zhì)

相比早期塑膠后蓋，智能手機(jī)快速步入金屬后蓋時(shí)代。蘋(píng)果公司開(kāi)創(chuàng)先河，將鋁合金作為手機(jī)后蓋，隨后刮起了國(guó)內(nèi)廠家的一股金屬后蓋熱潮。2012—2016年，大量手機(jī)公司都采用此方案。金屬后蓋的成型工藝大致為“型材沖壓—粗銑—注塑—精銑—落料—拋光—噴砂—高光—氧化—焊接—鐳雕”。

手機(jī)后蓋常采用鋁合金。鋁合金可分為變形鋁合金和壓鑄鋁合金兩大類[3]。其中，壓鑄鋁致密性較差，故后蓋主要采用變形鋁。

鋁合金密度為2.7 g·cm-3，密度較?。ù蟾攀卿摰?/3），滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，使得實(shí)現(xiàn)手機(jī)足夠輕薄成為可能。相比玻璃和陶瓷等非金屬無(wú)機(jī)材質(zhì)，鋁合金韌性優(yōu)良；相比塑料材質(zhì)，鋁合金硬度、強(qiáng)度及剛度遙遙領(lǐng)先。鋁合金具有剛?cè)嵯酀?jì)、密度小及綜合成本可控特性，決定了鋁合金在手機(jī)結(jié)構(gòu)框架方案中具有重要地位。

鋁合金材質(zhì)的最大劣勢(shì)是對(duì)電磁信號(hào)的干擾或屏蔽，對(duì)無(wú)線技術(shù)提出了極大挑戰(zhàn)。3段式金屬后蓋設(shè)計(jì)為了解決電磁信號(hào)傳輸問(wèn)題，使得手機(jī)背部的一體性大打折扣，也是采用金屬后蓋時(shí)外觀需要妥協(xié)的地方。

近年來(lái)，隨著5G技術(shù)的應(yīng)用和推廣，金屬后蓋已不再出現(xiàn)在5G手機(jī)上，取而代之的是無(wú)機(jī)非金屬材質(zhì)后蓋。

3 無(wú)機(jī)非金屬材質(zhì)

3.1 玻璃后蓋

這里提及的無(wú)機(jī)非金屬材質(zhì)主要指玻璃和陶瓷。由于電磁信號(hào)傳輸和全面屏?xí)r代對(duì)手機(jī)外觀一體化的極致追求等，玻璃后蓋基本成為中高端機(jī)型（甚至部分低端機(jī)型）最主流的選擇。陶瓷因成本等應(yīng)用相對(duì)較少，主要出現(xiàn)在部分高端機(jī)型上。

手機(jī)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)形態(tài)主要有兩種，分別為2.5D玻璃后蓋和3D玻璃后蓋。2.5D玻璃后蓋的成型工藝大致為“開(kāi)料—CNC—平磨—弧邊拋光—強(qiáng)化—絲印Logo—貼膜—自動(dòng)對(duì)焦（Automatic Focus，AF）”。3D玻璃后蓋（一次CNC）成型工藝大致為“開(kāi)料—CNC—熱彎—正反面拋光/掃邊—強(qiáng)化—絲印Logo—貼膜—AF—噴邊”。需要注意，二次CNC成型后蓋在熱彎后多一次CNC。

拋光和掃邊是為了去除單體上的微裂紋，提升表面光潔度和透明度。

強(qiáng)化改變了玻璃的表面化學(xué)組成，提升了單體的機(jī)械性能，一般通過(guò)離子交換實(shí)現(xiàn)。單體的強(qiáng)化性能可以通過(guò) CS（表面應(yīng)力）、DOL（鉀離子深度）、CSK（鈉離子深度）、DOC（應(yīng)力層深度）及CT（內(nèi)部拉應(yīng)力）等參數(shù)測(cè)量獲得，也可通過(guò)落球和四點(diǎn)彎等方式抽測(cè)檢驗(yàn)其加工質(zhì)量。

貼膜是為了實(shí)現(xiàn)玻璃后蓋最終的紋理和顏色效果。通常膜片顏色和紋理可通過(guò)打印、轉(zhuǎn)印、浸染、濺射及蒸鍍等方式實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槟てN合后很難保證其到后蓋邊緣距離的均勻性和玻璃材質(zhì)的透明特性，所以3D玻璃后蓋需要在邊緣噴涂油墨（即噴邊）來(lái)提升玻璃后蓋的一體性。

除了上述表面光潔的玻璃后蓋，有一種防眩光（Anti-glare Glass，AG）玻璃后蓋，又稱抗反射玻璃或防眩暈玻璃后蓋。它的顯著特點(diǎn)是表面啞光無(wú)反射表面。相比常規(guī)后蓋，它的成型工藝在拋光掃邊后和強(qiáng)化前增加了蒙砂相關(guān)工藝。

3.2 陶瓷后蓋

陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性以及耐氧化等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，機(jī)械性能完全滿足手機(jī)的需求。

手機(jī)陶瓷后蓋的成型工藝大致為“粉體加工—制胚—燒結(jié)—CNC加工—拋光—表面處理”。其中，制胚主要分為干壓、注塑和流延3種方式。

（1）干壓是指粉料用模具壓制成胚料。干壓后的胚料需水冷靜壓（冷等靜壓），利用液體中各向等壓原理二次成型胚料，使胚體更加致密均勻，性能更加優(yōu)異。手機(jī)陶瓷后蓋多采用此方案。該工藝操作簡(jiǎn)單、成型尺寸大、成型效率高，但尺寸精度控制較差，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征需要通過(guò)后加工實(shí)現(xiàn)。

（2）注塑是指熔融狀（約200 ℃）粉料注塑成型。此工藝適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中小件產(chǎn)品，可以做到小產(chǎn)品一模多穴，尺寸精度高，后加工余量少。大件產(chǎn)品的效率低于干壓，產(chǎn)品強(qiáng)度較差。

（3）流延是指漿料變成平板胚片。胚片成型后需要溫等靜壓（二次成型）。此工藝適合各種殼體，尤其是較薄產(chǎn)品，工藝成型的產(chǎn)品強(qiáng)度大且密度高。

3.3 無(wú)機(jī)非金屬后蓋的優(yōu)缺點(diǎn)

3.3.1 無(wú)機(jī)非金屬后蓋的優(yōu)點(diǎn)

玻璃和陶瓷不會(huì)影響電磁信號(hào)，為手機(jī)提供了應(yīng)用各種無(wú)線技術(shù)的可能性，尤其是5G信號(hào)傳輸。玻璃和陶瓷的硬度和剛度較大，抗刮性能優(yōu)異。制膜技術(shù)的日益發(fā)展使得手機(jī)玻璃后蓋在顏色和紋理上具有無(wú)限可能。

3.3.2 無(wú)機(jī)非金屬后蓋的缺點(diǎn)

脆性問(wèn)題是手機(jī)后蓋永遠(yuǎn)繞不開(kāi)的話題，如摔落和碰撞都可能導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂。無(wú)機(jī)材料的密度相對(duì)較大，如陶瓷后蓋密度在3.0 g·cm-3以上，與手機(jī)追求輕薄的需求相悖。材料的脆性問(wèn)題導(dǎo)致后期加工難度較大，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，尤其是陶瓷（成本更高），是其無(wú)法大面積應(yīng)用于各價(jià)位機(jī)型的主要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

手機(jī)后蓋材質(zhì)還包括凱夫拉、竹纖維和木材等，并未大面積應(yīng)用和推廣，這里不再展開(kāi)介紹。手機(jī)后蓋的顏色、材質(zhì)和工藝（Color Material Finishing，CMF）呈輪回交替發(fā)展。例如，原本要被淘汰的塑膠后蓋在搭配皮料后成功應(yīng)用于高端機(jī)型，板材后蓋的大量應(yīng)用使得塑膠后蓋煥發(fā)新的生機(jī)。材質(zhì)是主要變革元素之一，預(yù)計(jì)未來(lái)手機(jī)后蓋會(huì)出現(xiàn)更多可應(yīng)用的材質(zhì)。但是，目前玻璃后蓋（陶瓷體量小忽略不計(jì)）和塑膠后蓋二分天下的局面將持續(xù)一段時(shí)間。