手機攝像模組跌落仿真與優化

王明珠 王忠偉 李鳳云 蔣恒

摘要：為有效解決智能手機攝像模組濾光片在跌落過程中的脆性開裂問題，開展手機跌落過程的有限元仿真，并對仿真結果進行試驗驗證。手機正面跌落時，濾光片受力最大，其失效主要是由攝像模組內部鏡頭撞擊鏡座導致的。保證手機攝像模組中鏡頭與鏡座之間的距離大于馬達載體與馬達基體之間的距離，可以有效防止濾光片的失效。研究濾光片熱固膠的彈性模量、膠寬和膠厚對濾光片應力的影響，結果表明：改變濾光片熱固膠的彈性模量對濾光片的脫落影響較大;濾光片應力隨濾光片熱固膠膠寬的增加先增大后減小，隨濾光片熱固膠膠厚的增加而減小。仿真結果可為濾光片熱固膠的用法與用量提供指導。

關鍵詞：手機;攝像模組;跌落;撞擊;濾光片;失效;熱固膠;可靠性

中圖分類號：TB851

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0068-06

0?引?言

電子產品受到跌落撞擊時，因動態載荷的作用，會在極短時間內產生復雜的非線性動態響應。[1]手機是生活中必不可少的電子產品之一，其更輕薄的發展趨勢，對其剛度要求更高，對其攝像頭的保護能力降低。在頻繁使用過程中，手機極易發生跌落破壞，影響手機的正常使用和壽命。手機跌落試驗是手機可靠性試驗中最重要的試驗之一。[2]在手機跌落過程中，攝像模組變形增大，內部脆性元件濾光片開裂失效率明顯上升，嚴重影響攝像模組的品質。在跌落狀態下手機攝像模組濾光片開裂失效見圖1。CAE技術在跌落仿真方面已發展成熟，可以有效解決一些技術上難點，大大降低開發成本[3-8]。

本文模擬手機跌落過程，研究跌落方式、馬達彈簧彈性系數，以及濾光片熱固膠的彈性模量、膠寬和膠厚等對手機跌落過程中濾光片應力的影響，采用攝像模組單體定向跌落試驗對仿真結果進行驗證。

1?仿真模型建立

利用三點彎曲測試方法測定濾光片的應力閾值，并利用Weibull分布[9]同時結合企業生產情況確定產品失效概率。選取濾光片失效概率為10%時所對應的破壞應力157.80 MPa作為濾光片的應力閾值。

1.1?手機和攝像頭模型建立

對手機和攝像模組建立三維模型。采用主流手機尺寸150 mm×80 mm×7 mm，質量為200 g，常規結構，手機屏幕為157 mm（6.2英寸）的觸摸屏，厚度為1 mm，忽略一些細小的、對跌落影響不太大的特征。手機攝像模組根據對焦方式不同可分為變焦（auto-focus， AF）模組和定焦（fixed-focus， FF）模組[10]，其中AF模組根據馬達載體與馬達基體的距離可分為中置馬達（馬達載體與馬達基體距離為150 μm）和普通馬達（馬達載體與馬達基體距離為0）。中置馬達以其對焦快、功耗低的優點，被廣泛應用于手機攝像模組中。本文主要基于AF模組中置馬達進行模擬，其中馬達外殼與馬達載體之間采用彈簧連接，彈簧總剛度為k=20 N/m。攝像模組與手機外殼之間采用泡棉材料（在Abaqus中設為hyperfoam）連接。手機模型示意見圖2，手機AF攝像模組剖面見圖3，其中攝像模組馬達為音圈馬達，磁鐵放置于馬達四角處。

1.2?材料定義和網格劃分

手機使用的材料種類很多，其中外殼一般采用工程塑料合金PC/ABS，觸摸屏采用玻璃。對于這些彈性材料，只需輸入彈性模量、泊松比和密度即可。[11]模型中的主要材料參數見表1。

跌落試驗的國家標準規定，物理跌落試驗的跌落平臺應是混凝土或鋼制成的平滑、堅硬的剛性表面，并且至少為跌落產品質量的50倍[2]，所以模擬時將地面約束為剛體。在跌落過程中，手機的許多零件會相互碰撞，所以在Abaqus中采用General Contact定義模型的接觸。模擬手機從H=1 m高處跌落，將其換算成手機落地時的初始速度即為v=[KF（]2gh[KF）]=4 429 mm/s，地面固定。

2?仿真分析和結果

手機的跌落方向往往是隨機的，面、角和邊都有可能受到碰撞。為全面評估手機跌落時濾光片的可靠性，研究不同跌落方式對濾光片應力的影響，對手機進行六面四角跌落模擬，跌落方式示意見圖4。

觀察跌落過程，發現攝像模組馬達載體帶動鏡頭運動時撞擊到鏡座，導致鏡座上下振動加劇，從而造成濾光片的應力增大。手機不同跌落方式得到的模擬結果見表2，其中撞擊力F表示手機在跌落過程中鏡頭對鏡座的撞擊力。

由表2可知：手機正面跌落時濾光片應力最大，可達215.57 MPa，超出其應力閾值157.80 MPa，且正面撞擊時撞擊力F最大。因此，研究手機正面跌落時鏡頭與鏡座之間的距離h，馬達彈簧彈性系數k，濾光片熱固膠彈性模量E、膠寬a和膠厚b等對濾光片應力大小的影響。

2.1?鏡頭與鏡座之間的距離與最大撞擊力和濾光片應力的關系

鏡頭與鏡座之間的距離h示意見圖5。分別取h為20、50、80、100、120和145 μm，研究h與最大撞擊力Fmax和濾光片最大應力Smax之間的關系，結果見圖6。

由此可知，在手機跌落過程中，Fmax隨h的增大先增大后減小，在h=80 μm時Fmax達到最大，為85.75 N，與濾光片最大應力值隨h變化的關系大體一致，表明確實是由于跌落過程中鏡頭撞擊鏡座造成濾光片應力值增大的。在h=100 μm時，濾光片受力仿真結果見圖7。

在跌落過程中，FF模組濾光片的最大應力只有91.86 MPa，AF模組普通馬達濾光片的最大應力為100.79 MPa。AF模組中置馬達在h≤145 μm，即鏡頭與鏡座之間的距離小于馬達載體與馬達基體之間的距離時，鏡頭撞擊到鏡座，濾光片的應力最小為150.40 MPa，最大可達到215.57 MPa。濾光片的應力閾值為157.80 MPa，所以：當h≤145 μm時AF模組濾光片開裂風險極高;當h=200 μm時鏡頭未撞擊到鏡座，濾光片應力為115.41 MPa，未超出其應力閾值。可見，濾光片開裂問題確實是由于鏡頭與鏡座撞擊造成的。

觀察手機跌落過程中鏡頭的受力情況，發現當h=120 μm時，鏡頭會與鏡座發生二次碰撞。第一次碰撞是由于鏡頭向下運動撞擊到鏡座造成的，第二次撞擊是鏡座在上下振動過程中與撞擊鏡座后向上運動的鏡頭再次發生碰撞。為解決濾光片的開裂問題，主要從以下2個方面進行改進：一是當鏡頭撞擊到鏡座時，減小碰撞的力度，比如加大馬達彈簧的彈性系數;二是提高攝像模組內部抵抗鏡座上下振動時造成濾光片應力增大的能力，如改變濾光片熱固膠的彈性模量E、膠寬a和膠厚b等。

2.2?馬達彈簧彈性系數對最大撞擊力和濾光片最大應力的影響

取h=120 μm，保持其他參數不變，分別取馬達彈簧彈性系數k為5、10、20和40 N/m，研究其對最大撞擊力Fmax和濾光片最大應力Smax的影響，仿真結果見圖8。

增大馬達彈簧的彈性系數k，對Fmax和Smax的影響不大。這主要是因為手機從1 m高度跌落，初始撞擊速度較大而k較小，對仿真結果影響較小。因此，在后面計算中均采用馬達彈簧系數k=20 N/m。

由以上分析可知，在AF模組中置馬達中，當鏡頭與鏡座之間的距離太小甚至低于馬達載體與馬達基體之間的距離時，跌落過程中極易造成濾光片失效，所以應當對鏡頭與鏡座之間的距離有一定要求，其必須大于馬達載體與馬達基體之間的距離。后續計算中取h=200 μm，研究鏡頭未與鏡座發生撞擊時如何提高攝像模組內部抵抗鏡座上下振動時造成濾光片應力增大的能力，研究E、a和b等對濾光片應力大小的影響，并得到手機的極限跌落高度Hmax。

2.3?熱固膠彈性模量E對濾光片應力的影響

在保證其他材料參數不變的情況下，分別取E為100.00、500.00、1 000.00、5 000.00和10 000.00 MPa，研究其對Smax的影響，分析結果見圖9a）。由此可知：Smax隨E的變化不明顯。考慮手機跌落過程中濾光片脫落的情況，研究熱固膠黏結強度與彈性模量E的關系，見圖9b）。由此可知：熱固膠黏結強度隨其彈性模量的增大而增大，若取極限黏結強度為10.00 MPa，則熱固膠彈性模量過大時，極易造成濾光片的脫落。

2.4?熱固膠膠寬和膠厚對濾光片應力的影響

在保證其他材料參數、尺寸不變的情況下，改變熱固膠膠層的寬度a和厚度b，研究其對濾光片最大應力Smax的影響。采用曲面響應分析方法，仿真結果見圖10。由此可知，Smax隨著b的增大而減小，隨著a的增大先增大后減小。該結論可以為后續生產過程中熱固膠的用法與用量提供指導。

2.5?極限跌落高度

改變手機正面跌落時的跌落高度，采用上述得到的最優解條件，即取E=5 000.00 MPa，a=0.35 mm，b=0.03 mm，計算濾光片所能承受的最大跌落高度Hmax，結果見圖11。同時，應注意在手機跌落過程中濾光片是否脫落。

由此可知，在Hmax>2 m（此時Smax為147.59 MPa，黏結強度為9.46 MPa）時，濾光片的最大應力和熱固膠的黏結強度均超過許用應力值，手機攝像模組失效風險極高。

3?試?驗

3.1?樣品制備

選用合適的熱固膠對試驗結果進行驗證。選用4款常用熱固膠，利用萬能拉伸機得到其彈性模量，利用水平推力機得到其黏結強度，結果見圖12。

根據上述模擬結果，選用第Ⅳ款熱固膠，其彈性模量E約為1 020 MPa，黏結強度約為12.55 MPa。首先，利用點膠機將第Ⅳ款熱固膠涂敷于塑料支架上;然后，蓋上濾光片，調整工裝使濾光片與塑料支架間的距離保持膠寬a=0.35 mm、膠厚b=0.03 mm;最后，當熱固膠固化后，將其與COB線路板半成品和馬達鏡頭組件粘貼在一起組裝成手機攝像模組，模組切面見圖13。熱固膠膠層厚度b和寬度a與試驗要求一致。

對試驗條件下的攝像模組進行仿真，得到濾光片的最大應力為116.10 MPa，熱固膠黏結強度為5.64 MPa，均未超出其許用應力值。

3.2?跌落試驗

試驗采用HW06-2101型號的定向跌落試驗機，選用高度控制，指定下落高度，并選中定向測試參數進行試驗。將攝像模組放置在治具中（圖14），按圖15的方式進行夾持，對攝像模組進行單體跌落試驗。試驗后拆分攝像模組，在顯微鏡下對濾光片進行觀察統計，結果見表3。由此可知：在跌落高度低于2.0 m時，濾光片基本保持完好;在2.5 m的跌落高度下，濾光片出現碎裂和脫落情況。這與模擬結果一致。跌落試驗完成后完好的濾光片見圖16。

4?結束語

利用有限元數值模擬計算，分析手機跌落過程中攝像模組濾光片的應力變化，研究鏡頭與鏡座之間的距離對撞擊力和濾光片應力的影響，以及馬達彈簧彈性系數、濾光片熱固膠彈性模量、濾光片熱固膠膠寬和膠厚等對濾光片應力的影響，并對優化后的攝像模組進行試驗驗證。手機跌落時，攝像模組中的馬達載體帶動鏡頭運動撞擊到鏡座，是造成濾光片失效的主要原因。仿真計算結果對手機攝像模組鏡頭與鏡座之間的距離以及濾光片熱固膠的選取、用法和用量等提供指導。下一步可優化鏡座結構并對其進行振動模態分析，從而有效解決跌落過程中濾光片的失效問題。

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（編輯?武曉英）