手机环境可靠性试验面临的挑战和解决方法

手机环境可靠性试验面临的挑战和解决方法

手机环境可靠性试验面临的挑战和解决方法

1 随着社会的不断进步和通信技术的飞速发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。移动通信以它特有的方便、时效性的优点，在信息社会中得到越来越广泛的应用，移动通信技术已成为目前发展最迅速、应用最广泛、最引人瞩目的通信技术。近几年来，中国的移动通信事业发展速度很快，目前网络规模和用户数量已居世界首位。2004年底，我国的移动电话用户已达到3.34亿户，较2003年底新增6500万户。随着手机用户数量的增加，手机质量也逐渐成为人们关心的话题。根据前几年的用户投诉情况来看，投诉最多的还是手机的可靠性问题。影响手机可靠性的因素很多，这些问题可以在日常的使用中发现，也可以通过对手机进行可靠性试验来发现。

2 手机环境可靠性试验的目的

产品可靠性是设计和制造出来的，但必须通过试验予以验证。在手机的研制阶段，为了保证手机具有一定的可靠性水平或提高手机的可靠性，要通过可靠性增长试验暴露手机的缺陷，进而进行分析，并采取有效纠正措施，使手机的可靠性得到增长。在设计定型前，对手机进行鉴定试验，验证手机是否达到规定的可靠性指标。对批量生产的手机在交付使用时，要通过验收试验来对手机的可靠性进行验收。在手机的使用阶段，为了了解手机使用的可靠性水平，要进行手机试用试验等。可见，可靠性试验贯穿于手机的全寿命之中，可靠性试验是评价手机可靠性的一个重要手段。

影响产品可靠性的极其重要的因素是环境。环境因素多种多样：温度、湿度、压力、辐射、降雨、风、雷、电、盐雾、砂尘、振动、冲击、噪声、电磁辐射等，都不可避免地对电子产品产生不良影响。有资料显示，电子产品故障的52%失效是由环境效应引起：其中由温度引起的占40%，由振动引起的占27%，由湿度引起的占19%，其余14%是砂尘、盐雾等因素引发的故障。环境试验作为可靠性试验的一种类型已经发展成为一种预测产品使用环境是如何影响产品的性能和功能的方法。在手机投入市场之前，环境试验被用来评估环境影响手机的程度，当手机的功能受到了影响，环境试验被用来查明原因，并采取措施保护手机免受环境影响以保护手机的可靠性，环境试验也被用来分析手机在实际使用过程中出现的缺陷以及新产品的改进。总之，环境适应性试验对于保证手机的可靠性是非常有效的。

3 手机环境可靠性试验的内容

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任何一款手机新品的上市，都需要经过授权检验单位的严格测试。这些测试内容中非常重要的一项就是手机的环境适应性试验及部分部件的寿命试验。在目前的标准文件中，对环境试验所规定的环境条件通常比手机使用所处的环境要严酷的多，并且更有代表性。由于我国幅员辽阔，地域广大，南北温差大，因而每一种手机都要经过-10℃和+55℃各4h的工作温度试验；还要进行温度+40℃、相对湿度92%Rh、连续48h左右的恒温恒湿试验，试验后射频指标和功能均需符合标准要求。这三项试验模拟手机在存储或使用过程中可能遇到的气候环境条件，考察手机在这些环境条件中外壳材料是否发生硬化或脆化导致出现裂纹，电子器件（电阻、电容等）性能是否改变，温度梯度不同和不同材料的温度变化系数是否导致电子线路的稳定性发生变化，是否会发生潮气与电路板相互作用产生腐蚀层等，用于评价手机在低温、高温、湿热情况下整体性能是否会下降。另外，手机还需要在随机振动条件下进行性能测试，在跌落高度为1.0m、每个面向下跌落2次、6面共计12次跌落在刚性表面上的跌落试验后进行功能检查。手机是随身携带的产品，而人又经常不断地移动，因此在振动条件下进行在线性能测试是为了考察手机在移动的环境中能否正常工作，而跌落试验是为了检验手机对于用户的意外使用不当是否有一定的保护性。除此之外，直板手机需对按键进行寿命试验，折叠或滑盖手机除需做按键寿命试验外，还需进行翻盖或滑盖寿命试验，要求按键寿命10万次，翻盖或滑盖5万次（这相当于一部手机每天接打电话50次，连续使用约3年），此后测试手机的功能是否正常。上述试验需持续较长时间，只有通过这些试验全部合格的样品才能获得通过。

4 手机在环境可靠性试验中容易出现的故障

在我们日常的试验工作中发现，手机在环境可靠性试验中也存在较多问题，如高温、低温、湿热试验中会出现射频指标不合格而导致手机工作不正常；振动试验中手机的频率和相位误差超标引起手机在移动体上工作不可靠；跌落试验中手机天线脱落、屏幕无显示、屏幕出现放射状裂纹、通话为单项通话；翻盖（滑盖）寿命试验中转轴故障、轴肩损坏、壳体裂纹、上盖完全断裂、屏幕无显示、送受话工作不正常等。出现上述现象可能是很多原因造成的，电路结构及参数配置不合理、电子元器件的选用不当可能会造成高温、低温、湿热、振动试验中的性能指标不合格；元器件的虚接、屏幕部分的保护不足、连接器的接口过松会导致跌落过程中手机出现故障；模具设计不合理、受力点处结构单薄、装配时转轴的角度和力度不合适、转轴的可靠性不够、FPC的耐折性不强、手机材质较差都可导致翻盖寿命试验不合格。

5 目前在手机环境可靠性测试方面存在的问题

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目前，随着手机制造商的增多，市场竞争的加剧，几乎所有的制造商都在强调只有扩大规模才有生存、发展的希望，出于这一需要，为激发消费者的需求，手机制造商推出新款机型的速度不断加快，研发周期不断被缩短，原来通常需经过设计、研发、试验、试生产、试用、市场反馈、小范围推广等几个阶段才会推向市场的一款手机，由于缩短了产品从研发到投放市场的时间，其中某些重要的试验环节就被简化了，因而产品在可靠性方面存在的问题就难以被发现；另一方面，一些实力比较弱的手机生产企业还没有建立起完备的测试、试验体系，也就缺乏必要的测试手段来保证产品质量。从短期效应看，企业盲目取消或减少必要的测试，可以缩短研发周期，加快新品推出速度，节约资金，减少产品成本，从而提高市场占有率。但从企业的长远发展来看，售后成本增加，品牌形象受到影响，企业得不偿失。国有品牌手机的市场占有率这两年下滑迅速，其中就有这方面的原因。因而，企业很有必要加强手机的可靠性测试，通过测试来改进和提高手机的质量

cae仿真在手机环境试验中的实现

摘要：电工电子产品的环境试验多在产品开发后期进行，属于实物试验。采用CAE技术对产品环境试验进行仿真，可在实物样机制出前进行，能够有效地发现设计缺陷。本文基于I-DEAS 软件系统，研究了对手机类产品环境试验的静态施压和自由跌落试验进行仿真的方法。手机属小型复杂结构，试验仿真的重要内容是装配体结构的有限元离散。文中采用了针对此类复杂结构的离散化方法---分区法，成功地进行了手机装配体的有限元网络划分。对手机静态施压和自由跌落试验后的响应进行了仿真，并对仿真结果进行了分

析,结果与实物试验基本符合。

关键词：环境试验 CAE仿真 手机设计 I-DEAS 网格划分

1 引言

按照国家电工电子产品的环境试验有关标准规定，对手机类产品来说，其中两项重要的试验项目是施压和自由跌落。生产厂家一般情况下都要对产品实物进行试验,但实物试验的缺点是：验后结论，即只有在试验完成后才知道设计是否有缺陷，而此时修改设计花费的时间和费用较高，不利于产品快速推向市场；属外观观察试验，无缺陷的原因和机理分析报告，无法提供足够的改进信息；费用较高，试验具有破坏性质，费用高；经验不易积累，产品开发水平不易提高，有时由于人员的变动，甚至造成相关经验的流失。

为此采用以有限元技术为核心的CAE方法对实验进行仿真。其方法是：在产品设计开发过程中，利用CAE

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手段对手机的自由跌落过程进行模拟仿真，根据仿真结果来确定薄弱环节，从而指导设计修改，对修改后

的设计模型再重复上述过程，直到满意为止。

2 模型结构分析及有限元离散

应用有限单元法对工程结构进行分析包括从结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型、计算程序的选择和修改、在计算机上的解算、以及计算前后大量信息的数据处理等这样一个全过程。其中，对结构的单元化离散是所有工作顺利进行的基础。大多数用于有限元分析的软件都提供了一定的离散化方法，对于大型或相对简单的结构基本不需要人工干预即可完成结构的离散。但对于复杂、细小的结构，在进行单元化离散时，大多数软件的自动划分功能都显得无能为力，手工划分更不可能。此时通常采用两种方法：1）简化结构。将尖角、细孔等细微结构在造型设计软件中消除或以其他结构代替。但也许简化部分的结构恰恰是分析所应关注的部分，大部分情况下这种简化是不允许的；2）采用充分小的单元。为了使离散结果更接近于真实化，可采用充分小的单元，这种离散的结果直接导致计算处理时间成几何级数上升，大多数情

况下导致计算失败。

本文以一手机为例，讨论基于I-DEAS软件的CAE模块的工作方法。

2.1 结构分析

手机模型如图1所示，其结构的几何形状复杂，主要由以下几个部分组成：

1） 透明Lens：曲面壳体结构，起到保护LCD的作用，其上开有按键孔、细小的耳机孔和话筒孔，下部

有十几个直径约1mm的定位销；

2） 前盖（Front）：曲面壳体结构，结构与Lens大致相同，与Lens结合采用定位孔；

3） 后盖（Back）：曲面壳体结构，其上有天线固定孔、电池埠等；

4） 电池盖（Battery-cover）：曲面壳体结构；

5） PCB板及LCD

6） 其他部分：天线、电池

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以上各部分之间大都通过卡口联接，前、后盖部分除卡口外由四个螺钉固定在一起；天线与后盖通过螺栓

连接。

图1 手机主要结构及跌落方向图

Fig1 Main Structure and Free-drop Directions of J22 Mobile Phone

2.2 有限元离散

1）结构简化

出于设计及工艺上的考虑，外壳每个部分的厚度几乎均不相同。对这些细微结构进行简化显然是行不通的，因为这些简化将使结构失去主要的结构特点，从而使下一步的计算分析失去存在的意义。从设计的观点来看，结构的简化将花费大量的时间进行造型的修改与重建，这与要求对结构尽快做出分析来提供参考的初

衷相悖。

因此，对Lens、前后盖、电池盖以及天线部分不做任何简化，对电池、PCB板及LCD考虑到实际情况作如下简化：忽略电池内部结构，量取其外观尺寸重新简单造型；忽略PCB板上众多细小芯片，只保留较大

芯片和LCD。

2）单元类型选择

Lens、前后盖、电池盖都属于板壳结构。一般来说，对板壳类结构，采用板壳单元不但能获得较好的单元质量，且能大大减少计算量。但用板壳单元进行离散并计算后，发现计算结果与实际存在着明显的差别。

在单元划分时，很多有限元分析软件都有强大的网格自动生成功能。在选用板壳类单元时，通过人机对话创建一个或多个指定厚度的“母元”。实际进行划分时，选定划分表面后，还需要指定单元长度和使用的“母元”。对于复杂的手机结构，由于表面数目很大（手机前盖有近2000个表面）且大部分非常细小，将它们分别进行选取是不可能的，只能在取出一部分较大表面后采用“全选”功能整体选取，那么在划分时它们采用的也都是同一个“母元”，但事实上他们的厚度都是不同的。即使对于一些较大表面，其厚度也是变化的。

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通过以上分析可以得出结论，应采用实体单元。考虑到结构的复杂多变，决定采用二次四面体单元。

3）单元化离散的“分区法”

二次四面体单元对表面质量要求较高。如果在划分时指定过小的单元长度，它带来的是对设备的过高要求和计算时间的急剧增加。在所能承受的范围内总是离散失败，经过研究试验，使用“分区法”成功地解决了

此问题。

划分步骤如下：首先，指定一个理想的单元长度（根据大致的厚度分布来确定）对结构整体进行离散，在遇到提示失败时将失败表面加入失败列表，而后以高亮（Highlight）命令观察其所处部位。I-DEAS提供了一个很有用的分区工具命令“Partition”[2]，它可以将一个实体分割而实际上又不切断其整体上的联系。利用此命令将失败表面与整体分离，分离区要在包括失败表面的情况下尽可能小。重复以上过程直到无失败表

面部分离散化成功。

接着，选取一块以前离散失败的分离区，指定相对较小的单元长度进行离散，直到离散成功。同时，对这些分区也可使用上述方法进行更小的分区。考虑到不同分区的单元联结，在指定单元长度时应注意较小单

元长度应尽量与较大单元长度保持倍数关系。图2为后盖一个分区的单元离散结果。

图2 后盖一个分区的单元离散结果

采用以上方法，一般情况下不必对分离区进行二次分离即可对结构单元化离散成功。只有对特别细小复杂

的表面结构需进行二次分区。

4) 病态单元的排除

利用单元检查“Quality checks”命令，选取所有单元进行检查。检查规则以“distortion”为主，对于此类结构尺

度应偏小，可选0.2~0.5之间。检查完毕后将输出组删除即可。

手机整体有限元模型的单元数：300,987；节点数：531,823。

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3 模型解算及试验工况仿真

3.1 施压试验

施压试验中一个重要的内容是各相邻件之间的接触面的设定，接触面以受压时实际可能发生接触的表面成对组成。需要注意的是接触面的搜索距离，搜索距离不可设定过大，否则将会大大增加模型解算量。

考虑三种施压工况：在天线部位施压20Kg；电池盖部位垂直施压20Kg；侧面方向施压15Kg。解算结果如

表1所示。

3.2 自由跌落试验

首先，对模型进行自由振动分析，分析所得前9阶固有频率如下：

Freq 1 = 412.5018 Hz

Freq 2 = 614.0729 Hz

Freq 3 = 638.9381 Hz

Freq 4 = 720.3717 Hz

Freq 5 = 740.3850 Hz

Freq 6 = 783.9229 Hz

Freq 7 = 1040.1628 Hz

Freq 8 = 1175.1654 Hz

Freq 9 = 1238.5191 Hz

国家标准规定跌落高度的优先选择值为25、100、500、1000mm等[1]，出于安全性的考虑，跌落工况高度

为1500mm，超过国家标准。跌落碰撞时间选为0.01秒，跌落方向已在图1中标出。

经计算后的各主要部分最大应力及位移如表2所示。

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3.3 仿真结果分析

3.3.1 施压试验仿真结果分析

最大位移和最大应力均位于电池盖与后盖结合部下方的齿牙处。位移较大的原因估计是因齿牙处的后盖部分是空的，无约束所至；最大应力均超过许用应力，考虑到其为塑料材料，去除PC/ABS不同牌号的个体差异，几种施力的结果可能引起永久性的塑性变形或断裂。建议在设计时将齿牙各个边缘改为过渡圆角并适当增加齿牙厚度。其他部位从计算结果来看还有较大的余量，但要结合自由跌落仿真的结果来确定哪些

部位余量较大，哪些部位相对较为薄弱。图3为电池盖施加压力20Kg时的变形图。

图3 电池盖施加压力20Kg时的变形结果

3.3.2 自由跌落试验仿真结果分析

从计算结果来看，Lens与电池盖部分的应力之仍有较大富裕，仍有减薄余地，最大应力发生于Lens定位销或电池盖卡扣处，在设计时应作为考虑的重点。值得注意的是在天线着地的跌落过程中，天线顶部的相对位移达1.38mm，前后盖上发生的最大应力超出许用应力很多，最大应力发生于天线安装孔在后盖上的过渡处，这预示着跌落发生后此处将发生裂纹甚至断裂。考虑到PC/ABS塑料的特性，其发生裂纹的可能性较大。同时也应注意到，此时Lens部分所发生的最大变形为0.485mm，这预示着在跌落过程中可能发生Lens脱落或Lens定位销断裂。

由以上结果，在设计修改时，考虑修改天线根部过渡部位以及天线与主体的偏斜度；增加Lens定位柱直径或对Lens定位部分重新设计。

4 结论

利用CAE工具，对产品的施压试验和自由跌落试验工况进行仿真。通过对仿真结果的分析，能够为产品的设计开发及改型提供一定的依据。采用试验仿真可达到以下效果：事先预测，在制作样机前即可预知设计是否存在设计缺陷，因此可及时修改设计，缩短开发循环过程，加速产品开发过程；详细实验报告，提供量化分析报告，指明缺陷的部位及产生的原因，为设计人员提供修改设计依据，逐步完善设计，提高了设计质量；费用低，试验时间短，建模时间相对于制造样机大大缩短，费用低；知识积累，开发的经验形成知识，避免走弯路并加快开发速度，提高产品质量。

由于产品成本的80%以上是由设计决定的，因此采用手机施压与自由跌落仿真试验能有效地发现和改进设计缺陷，起到省时、节约成本和提高设计质量的作用，最终降低产品的成本并加快了上市速度。

手机环境可靠性试验面临的挑战和解决方法

需要指出的是，仿真的重点在于模型的有限元离散，多数有限元分析软件虽然都有网格自动生成功能，但在实际使用中尤其是遇到复杂结构时总会遇到这样和那样的困难，离散的方法也不是一层不变的。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5yxe.html