基于Pro/E的大屏幕智能手機堆疊設計

賀柳操

（湖南機電職業技術學院，湖南 長沙 410151)

我國移動通信技術從無到有，在歷經二十幾年發展過程中，其終端設備--手機，已成為人們日常生活中不可缺少的一部分。手機從發明之初發展到今天，在其造型上經歷了從直板到翻蓋，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；在其功能上也從簡單的通話功能發展到了現代集多媒體、互聯網、短信以及通話多功能為一身的智能化手機。隨著2010年6月7日，美國蘋果公司正式發布了其精心打造的3.5英寸全屏觸摸智能手機“Iphone4”，同年9月份“Iphone4”正式進入中國大陸市場，該手機憑借其先進的工藝、精細的造工以及良好的用戶體驗，在國內乃至全世界范圍內創造了一個銷售神話。其它各大手機企業紛紛效仿“Iphone4”的設計，開發出一代又一代的大屏幕智能手機。到近年主流智能手機的顯示屏已經達到5英寸以上，大屏幕帶來更好地用戶體驗，同時也帶來了一系列的挑戰，例如：電池續航能力問題、觸摸屏易損問題等。任何新工藝、新技術在剛被開發出來時，都不是那么完美，它們需要開發者經過不斷的摸索，歷經實驗驗證，最終才能日趨成熟。本文就如何基于Pro/E設計出符合市場最主流需求的大屏智能手機堆疊技術做一翻探討。

1 技術現狀

目前主流的智能手機品牌，例如蘋果、三星、HTC、魅族、中興、華為等等，其大屏智能機普遍都采用斷板式堆疊設計。斷板式堆疊設計它不同于以往的全板式PCB（印制電路板）設計，以往全板的PCB設計是一整塊PCB板涵蓋了手機頭部到尾部，電池架在PCB板上即與PCB重疊；而斷板式設計則是將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，所以斷板式堆疊設計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個性化的追求，斷板式設計其實又可以設計成為很多種，除了傳統的頭、尾斷板，還有“L”形PCB板，“匚”形PCB板，甚至各種不規則的板形搭配都可以。

2 手機設計一般流程

在手機設計的具體流程中，首先是根據客戶所指定的功能配置開始，如手機將要達到的功能、規格大小等信息；其次堆疊結構工程師再根據產品定義去進行初版堆疊設計，使用Pro/E軟件設計出初版的主板堆疊3D模型，并在主板上畫出貼片擺件區域，供硬件設計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面積足夠，即可由堆疊結構工程師再生成最終的六視角堆疊線框圖，供ID設計師做具體的外觀造型設計；最后ID設計師設計出來的外觀造型被客戶認可以后，再由ID工程師導出2D六視角的機殼外觀造型曲線圖，提供給手機機殼結構設計師進行最終的機殼結構設計。因此，一款手機的設計通常需要由公司的結構設計部、硬件設計部和市場部等多部門協同完成，其中結構設計部主要承擔主板堆疊結構和手機機殼結構的設計。

3 基于P r o/E的大屏幕智能手機堆疊設計

基于Pro/E的大屏幕智能手機堆疊設計，其內容主要包括手機PCB板3D建模、結構元器件擺放、布件區域限高圖設計、堆疊主控零部件設計和堆疊干涉檢查等內容。一個良好的布件架構可以節省很多手機內部空間，對后期的外觀造型和機殼結構設計有巨大的幫助。下面就如何設計一個符合市場主流需求的大屏智能手機堆疊，逐步作一個闡述和探討。

3.1 基于P r o/E的手機P C B板3 D建模

應用ProE軟件，在作好相關選項的設置后，進入草圖模式即可定義主PCB板的外形設計，通過拉伸將主PCB板拉伸成1mm厚，完成初步的主體設計，后續再根據需要完成相關螺絲孔、定位孔的設計。使用同樣的方法新建一個副板PCB零件，設計一塊副板PCB。一般情況下主板PCB設計得相對大一點，用來放手機芯片相關物料及手機主要元器件；而副板PCB可設計得相對小一點，主要用來作為天線設計區域，同時也可以放置一個15mmx11mmx3.6mm的喇叭。主板放在手機頭部，副板放在手機尾部，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計。主、副板之間的數據傳輸靠一塊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的結構元器件擺放

在PCB板3D模型以及其它結構元器件3D模型都準備好之后，即可進行堆疊擺件。一款智能手機上的元器件主要包括：顯示屏、電池、喇叭、聽筒、話筒、攝像頭、耳機插座、USB插座、按鍵、震動馬達、SIM卡、T-flash卡等。堆疊設計師將通過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，需要將顯示屏架在主板PCB上，當主板PCB上需要放置手機芯片等貼片電子料時，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而言，整機強度顯然致關重要，結構上往往會需要在顯示屏和主板PCB之間設計一塊較大的金屬鋼板來增加整機強度，所以這種情況下安全間隙需要在1.6～1.8mm的基礎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，則在堆疊設計時應把顯示屏移到主板PCB的安全距離2.2mm以上。

圖15.0＂L C D的智能手機斷板式堆疊圖

圖25.0＂L C D的智能手機主板限高圖

堆疊擺件過程中還需要重點關注的一點，是需要設計師充分考濾到元器件的實際公差，留出足夠安全距離。在實際生產中任何零部件都是有一定范圍的公差，不可能完全100%跟設計圖紙相同；在堆疊設計時就需要注意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結構元器件本身的公差。

3.3 基于P r o/E的布件區域限高圖設計

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

在Layout工程師評估認為PCB板擺件面積足夠，確定此堆疊方案可行，這時則可以由堆疊設計師從堆疊3D模型文件中導出六面視角的堆疊線框圖到2D文件中，把此2D文件交給ID造型工程師去設計手機的最終外觀造型。造型確定之后機殼結構工程師才做后續的殼子結構設計。

3.4 基于P r o/E的堆疊主控零部件設計

堆疊上的一些主控零部件，主要是指主板PCB上面的屏蔽罩、轉接FPC、同軸線以及其它輔助物料。需要堆疊設計師使用Pro/E軟件把這些零件都一個一個準確地畫出來，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殼結構有裝配關系，因此要求堆疊設計師在設計這些零部件的時候要充分考慮到后期機殼結構設計的可行性，使整個機殼結構設計達到最優化。為便于理解，需要堆疊設計師做一份詳細堆疊說明書，以便機殼結構設計工程師參考。

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結構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電元器件在手機通電之后造成電路短路。

基于ProE軟件進行堆疊干涉檢查，要求堆疊設計師首先打開Pro/E軟件，點擊打開按鈕，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，依次點擊菜單命令中的“分析”=＞“模型”=＞“全局干涉”，然后點預覽按鈕，軟件系統就會自動進行全局干涉分析檢查。如果裝配文件里面的零部件實在是太多的情況下，使用全局干涉檢查就會降底工作效率，此時可以使用配合間隙命令來檢查兩個小零件之間的相對干涉；在Pro/E軟件中的步驟為，依次點擊菜單命令中的“分析”=＞“模型”=＞“配合間隙”，然后在左邊模型樹列表中分別點選兩個需要檢查的小零件，軟件系統就會自動進行相對干涉分析檢查。發現干涉之后，依據實際情況使用Pro/E軟件對造成干涉的零件進行局部切除，或者依據實際情況在裝配文件中調整干涉零件的相對裝配位置，以達到消除干涉的目的。

4 結語

本文以目前最為主流的大屏幕智能手機為例，分別闡述了目前智能手機的整個設計流程和基于Pro/E的大屏幕智能手機的PCBA堆疊設計的過程。通過手機在堆疊設計流程的劃分，實現了如何設計出一款功能齊全、結構可靠并且電池容量可以盡量做到最大的智能手機的方法，遵循以上設計規則，進行大屏幕智能手機的設計，可使研發部門在新產品開發的道路上能做到更科學有效。

[1]趙勇.基于P r o/E的手機結構數字化設計[J].科協論壇, 2013,(1):121-122.