手机摄像模组跌落仿真与优化

王明珠 王忠伟 李凤云 蒋恒

摘要：为有效解决智能手机摄像模组滤光片在跌落过程中的脆性开裂问题，开展手机跌落过程的有限元仿真，并对仿真结果进行试验验证。手机正面跌落时，滤光片受力最大，其失效主要是由摄像模组内部镜头撞击镜座导致的。保证手机摄像模组中镜头与镜座之间的距离大于马达载体与马达基体之间的距离，可以有效防止滤光片的失效。研究滤光片热固胶的弹性模量、胶宽和胶厚对滤光片应力的影响，结果表明：改变滤光片热固胶的弹性模量对滤光片的脱落影响较大;滤光片应力随滤光片热固胶胶宽的增加先增大后减小，随滤光片热固胶胶厚的增加而减小。仿真结果可为滤光片热固胶的用法与用量提供指导。

关键词：手机;摄像模组;跌落;撞击;滤光片;失效;熱固胶;可靠性

中图分类号：TB851

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）02-0068-06

0 引 言

电子产品受到跌落撞击时，因动态载荷的作用，会在极短时间内产生复杂的非线性动态响应。[1]手机是生活中必不可少的电子产品之一，其更轻薄的发展趋势，对其刚度要求更高，对其摄像头的保护能力降低。在频繁使用过程中，手机极易发生跌落破坏，影响手机的正常使用和寿命。手机跌落试验是手机可靠性试验中最重要的试验之一。[2]在手机跌落过程中，摄像模组变形增大，内部脆性元件滤光片开裂失效率明显上升，严重影响摄像模组的品质。在跌落状态下手机摄像模组滤光片开裂失效见图1。CAE技术在跌落仿真方面已发展成熟，可以有效解决一些技术上难点，大大降低开发成本[3-8]。

本文模拟手机跌落过程，研究跌落方式、马达弹簧弹性系数，以及滤光片热固胶的弹性模量、胶宽和胶厚等对手机跌落过程中滤光片应力的影响，采用摄像模组单体定向跌落试验对仿真结果进行验证。

1 仿真模型建立

利用三点弯曲测试方法测定滤光片的应力阈值，并利用Weibull分布[9]同时结合企业生产情况确定产品失效概率。选取滤光片失效概率为10%时所对应的破坏应力157.80 MPa作为滤光片的应力阈值。

1.1 手机和摄像头模型建立

对手机和摄像模组建立三维模型。采用主流手机尺寸150 mm×80 mm×7 mm，质量为200 g，常规结构，手机屏幕为157 mm（6.2英寸）的触摸屏，厚度为1 mm，忽略一些细小的、对跌落影响不太大的特征。手机摄像模组根据对焦方式不同可分为变焦（auto-focus， AF）模组和定焦（fixed-focus， FF）模组[10]，其中AF模组根据马达载体与马达基体的距离可分为中置马达（马达载体与马达基体距离为150 μm）和普通马达（马达载体与马达基体距离为0）。中置马达以其对焦快、功耗低的优点，被广泛应用于手机摄像模组中。本文主要基于AF模组中置马达进行模拟，其中马达外壳与马达载体之间采用弹簧连接，弹簧总刚度为k=20 N/m。摄像模组与手机外壳之间采用泡棉材料（在Abaqus中设为hyperfoam）连接。手机模型示意见图2，手机AF摄像模组剖面见图3，其中摄像模组马达为音圈马达，磁铁放置于马达四角处。

1.2 材料定义和网格划分

手机使用的材料种类很多，其中外壳一般采用工程塑料合金PC/ABS，触摸屏采用玻璃。对于这些弹性材料，只需输入弹性模量、泊松比和密度即可。[11]模型中的主要材料参数见表1。

跌落试验的国家标准规定，物理跌落试验的跌落平台应是混凝土或钢制成的平滑、坚硬的刚性表面，并且至少为跌落产品质量的50倍[2]，所以模拟时将地面约束为刚体。在跌落过程中，手机的许多零件会相互碰撞，所以在Abaqus中采用General Contact定义模型的接触。模拟手机从H=1 m高处跌落，将其换算成手机落地时的初始速度即为v=[KF（]2gh[KF）]=4 429 mm/s，地面固定。

2 仿真分析和结果

手机的跌落方向往往是随机的，面、角和边都有可能受到碰撞。为全面评估手机跌落时滤光片的可靠性，研究不同跌落方式对滤光片应力的影响，对手机进行六面四角跌落模拟，跌落方式示意见图4。

观察跌落过程，发现摄像模组马达载体带动镜头运动时撞击到镜座，导致镜座上下振动加剧，从而造成滤光片的应力增大。手机不同跌落方式得到的模拟结果见表2，其中撞击力F表示手机在跌落过程中镜头对镜座的撞击力。

由表2可知：手机正面跌落时滤光片应力最大，可达215.57 MPa，超出其应力阈值157.80 MPa，且正面撞击时撞击力F最大。因此，研究手机正面跌落时镜头与镜座之间的距离h，马达弹簧弹性系数k，滤光片热固胶弹性模量E、胶宽a和胶厚b等对滤光片应力大小的影响。

2.1 镜头与镜座之间的距离与最大撞击力和滤光片应力的关系

镜头与镜座之间的距离h示意见图5。分别取h为20、50、80、100、120和145 μm，研究h与最大撞击力Fmax和滤光片最大应力Smax之间的关系，结果见图6。

由此可知，在手机跌落过程中，Fmax随h的增大先增大后减小，在h=80 μm时Fmax达到最大，为85.75 N，与滤光片最大应力值随h变化的关系大体一致，表明确实是由于跌落过程中镜头撞击镜座造成滤光片应力值增大的。在h=100 μm时，滤光片受力仿真结果见图7。

在跌落过程中，FF模组滤光片的最大应力只有91.86 MPa，AF模组普通马达滤光片的最大应力为100.79 MPa。AF模组中置马达在h≤145 μm，即镜头与镜座之间的距离小于马达载体与马达基体之间的距离时，镜头撞击到镜座，滤光片的应力最小为150.40 MPa，最大可达到215.57 MPa。滤光片的应力阈值为157.80 MPa，所以：当h≤145 μm时AF模组滤光片开裂风险极高;当h=200 μm时镜头未撞击到镜座，滤光片应力为115.41 MPa，未超出其应力阈值。可见，滤光片开裂问题确实是由于镜头与镜座撞击造成的。

观察手机跌落过程中镜头的受力情况，发现当h=120 μm时，镜头会与镜座发生二次碰撞。第一次碰撞是由于镜头向下运动撞击到镜座造成的，第二次撞击是镜座在上下振动过程中与撞击镜座后向上运动的镜头再次发生碰撞。为解决滤光片的开裂问题，主要从以下2个方面进行改进：一是当镜头撞击到镜座时，减小碰撞的力度，比如加大马达弹簧的弹性系数;二是提高摄像模组内部抵抗镜座上下振动时造成滤光片应力增大的能力，如改变滤光片热固胶的弹性模量E、胶宽a和胶厚b等。

2.2 马达弹簧弹性系数对最大撞击力和滤光片最大应力的影响

取h=120 μm，保持其他参数不变，分别取马达弹簧弹性系数k为5、10、20和40 N/m，研究其对最大撞击力Fmax和滤光片最大应力Smax的影响，仿真结果见图8。

增大马达弹簧的弹性系数k，对Fmax和Smax的影响不大。这主要是因为手机从1 m高度跌落，初始撞擊速度较大而k较小，对仿真结果影响较小。因此，在后面计算中均采用马达弹簧系数k=20 N/m。

由以上分析可知，在AF模组中置马达中，当镜头与镜座之间的距离太小甚至低于马达载体与马达基体之间的距离时，跌落过程中极易造成滤光片失效，所以应当对镜头与镜座之间的距离有一定要求，其必须大于马达载体与马达基体之间的距离。后续计算中取h=200 μm，研究镜头未与镜座发生撞击时如何提高摄像模组内部抵抗镜座上下振动时造成滤光片应力增大的能力，研究E、a和b等对滤光片应力大小的影响，并得到手机的极限跌落高度Hmax。

2.3 热固胶弹性模量E对滤光片应力的影响

在保证其他材料参数不变的情况下，分别取E为100.00、500.00、1 000.00、5 000.00和10 000.00 MPa，研究其对Smax的影响，分析结果见图9a）。由此可知：Smax随E的变化不明显。考虑手机跌落过程中滤光片脱落的情况，研究热固胶黏结强度与弹性模量E的关系，见图9b）。由此可知：热固胶黏结强度随其弹性模量的增大而增大，若取极限黏结强度为10.00 MPa，则热固胶弹性模量过大时，极易造成滤光片的脱落。

2.4 热固胶胶宽和胶厚对滤光片应力的影响

在保证其他材料参数、尺寸不变的情况下，改变热固胶胶层的宽度a和厚度b，研究其对滤光片最大应力Smax的影响。采用曲面响应分析方法，仿真结果见图10。由此可知，Smax随着b的增大而减小，随着a的增大先增大后减小。该结论可以为后续生产过程中热固胶的用法与用量提供指导。

2.5 极限跌落高度

改变手机正面跌落时的跌落高度，采用上述得到的最优解条件，即取E=5 000.00 MPa，a=0.35 mm，b=0.03 mm，计算滤光片所能承受的最大跌落高度Hmax，结果见图11。同时，应注意在手机跌落过程中滤光片是否脱落。

由此可知，在Hmax>2 m（此时Smax为147.59 MPa，黏结强度为9.46 MPa）时，滤光片的最大应力和热固胶的黏结强度均超过许用应力值，手机摄像模组失效风险极高。

3 试 验

3.1 样品制备

选用合适的热固胶对试验结果进行验证。选用4款常用热固胶，利用万能拉伸机得到其弹性模量，利用水平推力机得到其黏结强度，结果见图12。

根据上述模拟结果，选用第Ⅳ款热固胶，其弹性模量E约为1 020 MPa，黏结强度约为12.55 MPa。首先，利用点胶机将第Ⅳ款热固胶涂敷于塑料支架上;然后，盖上滤光片，调整工装使滤光片与塑料支架间的距离保持胶宽a=0.35 mm、胶厚b=0.03 mm;最后，当热固胶固化后，将其与COB线路板半成品和马达镜头组件粘贴在一起组装成手机摄像模组，模组切面见图13。热固胶胶层厚度b和宽度a与试验要求一致。

对试验条件下的摄像模组进行仿真，得到滤光片的最大应力为116.10 MPa，热固胶黏结强度为5.64 MPa，均未超出其许用应力值。

3.2 跌落试验

试验采用HW06-2101型号的定向跌落试验机，选用高度控制，指定下落高度，并选中定向测试参数进行试验。将摄像模组放置在治具中（图14），按图15的方式进行夹持，对摄像模组进行单体跌落试验。试验后拆分摄像模组，在显微镜下对滤光片进行观察统计，结果见表3。由此可知：在跌落高度低于2.0 m时，滤光片基本保持完好;在2.5 m的跌落高度下，滤光片出现碎裂和脱落情况。这与模拟结果一致。跌落试验完成后完好的滤光片见图16。

4 结束语

利用有限元数值模拟计算，分析手机跌落过程中摄像模组滤光片的应力变化，研究镜头与镜座之间的距离对撞击力和滤光片应力的影响，以及马达弹簧弹性系数、滤光片热固胶弹性模量、滤光片热固胶胶宽和胶厚等对滤光片应力的影响，并对优化后的摄像模组进行试验验证。手机跌落时，摄像模组中的马达载体带动镜头运动撞击到镜座，是造成滤光片失效的主要原因。仿真计算结果对手机摄像模组镜头与镜座之间的距离以及滤光片热固胶的选取、用法和用量等提供指导。下一步可优化镜座结构并对其进行振动模态分析，从而有效解决跌落过程中滤光片的失效问题。

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（编辑 武晓英）