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摘 要

折疊式移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中，翻蓋測(cè)試是相當(dāng)重要的可靠度測(cè)試的項(xiàng)目。所謂翻蓋測(cè)試,就是將折疊式移動(dòng)電話連續(xù)進(jìn)行掀蓋及合蓋數(shù)萬(wàn)次。由于軟性電路板連接折疊式移動(dòng)電話的上蓋(Folder)及下蓋(Base)， 在連續(xù)進(jìn)行掀蓋及合蓋數(shù)萬(wàn)次下，軟性電路板因受力變形等問(wèn)題，導(dǎo)致其內(nèi)部線路受損，F(xiàn)older的液晶顯示模塊(LCM)顯示異常。

先前的設(shè)計(jì)者于設(shè)計(jì)相關(guān)部位尺寸及相對(duì)位置時(shí)，只能依經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)，無(wú)法事先評(píng)估。本文利用MSC MARC 為分析工具，先利用前處理器建立軟性電路板，F(xiàn)older和Base等有限元素模型。藉由控制邊界條件的方式將軟性電路板推入Folder和Base的限制空間，以了解軟性電路板安裝于機(jī)構(gòu)內(nèi)部定位的彎折外型及預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行掀蓋及合蓋的模擬，得知其中軟性電路板彎折外型及應(yīng)力變化， 作為評(píng)估軟性電路板的設(shè)計(jì)參考。

一、前言

隨著市場(chǎng)的快速變動(dòng)，移動(dòng)電話研發(fā)時(shí)程逐漸縮短，利用計(jì)算機(jī)輔助仿真分析(CAE)，縮短研發(fā)流程已成為眾多廠商研究的課題，其中翻蓋測(cè)試是相當(dāng)重要的的項(xiàng)目。所謂翻蓋測(cè)試,就是將折疊式行動(dòng)電話連續(xù)進(jìn)行掀蓋及合蓋數(shù)萬(wàn)次。由于軟性電路板連接折疊式行動(dòng)電話的上蓋(Folder)及下蓋(Base)，在連續(xù)進(jìn)行掀蓋及合蓋數(shù)萬(wàn)次下，軟性路板因受力變形等問(wèn)題，導(dǎo)致其內(nèi)部線路受損，F(xiàn)older 的液晶顯示模塊(LCM)顯示異常。

先前的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)軟性電路板尺寸及結(jié)構(gòu)相對(duì)位置時(shí)，只能依經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)，無(wú)法在成品未完成前做事先評(píng)估，事后只能依翻蓋測(cè)試的結(jié)果來(lái)判斷測(cè)試失敗的原因， 無(wú)法獲得定性或定量的數(shù)據(jù)。本文利用FEM 的分析方法，以MSC MARC 為分析工具，利用前處理器Patran 及Mentat 建立軟性電路板、Folder 和Base 等有限元素模型，嘗試獲得定性或定量的數(shù)據(jù)，但考慮到軟性電路板結(jié)構(gòu)組成及疲勞問(wèn)題的復(fù)雜性， 將問(wèn)題局限軟性電路板翻折壹次的過(guò)程，也就是將軟性電路板仿真組裝至定位，以了解軟性電路板安裝于機(jī)構(gòu)內(nèi)部定位的彎折外型及預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行掀蓋及合蓋的模擬，得知其中軟性電路板彎折外型及應(yīng)力變化，作為評(píng)估軟性電路板的設(shè)計(jì)參考。

二、軟性電路板結(jié)構(gòu)說(shuō)明及有限元素模型的建立

軟性電路板(FPC)連接折疊式移動(dòng)電話的Folder 及Base 的pcb(印刷電路板)，但受限于折疊式移動(dòng)電話內(nèi)部狹窄的空間，單層FPC 無(wú)法容納所有的線路，故多層FPC 廣泛運(yùn)應(yīng)在折疊式移動(dòng)電話(如圖一)。且為降低FPC 整體的剛性，降低應(yīng)力值，增加可靠度，每層彼此幾乎相貼但不相粘。

圖一 多層軟性電路板

每一層軟性電路板構(gòu)成基本上是copper foil ，adhesive，polyimide迭壓組成，為使有限元素模型更能符合材料與幾何的特性，先利用pro-e 依序建出與真實(shí)狀態(tài)相同的CAD 模型 (如圖二、三)，再以Patran 建立FPC 的3D elements。

圖二 CAD 模型－膠部分的幾何外型

圖三 CAD 模型－銅線部分的幾何外型

FPC 穿梭于手機(jī)內(nèi)部狹小的空間，故其組裝位置必須重新確認(rèn)，以厘清相關(guān)的位置及彎折的過(guò)程中，實(shí)際contact 的位置，以利問(wèn)題的分析(如圖四、五、六)。

圖四 FPC 和JACK 干涉

圖五 確認(rèn)FPC 和其他部位的接觸(I)

圖六 確認(rèn)FPC 和其他部位的接觸(II)

整個(gè)model 網(wǎng)格以六面體(Hexa)元素為主，考慮到整體model元素?cái)?shù)目，四層軟性電路板只取出兩層，每一層FPC 只有一層六面體元素，機(jī)殼及部分零件也是以六面體元素為主(如圖七)。

圖七 整個(gè)FEM 模型

三、分析程序及結(jié)果

整個(gè)分析程序?yàn)檐浶噪娐钒宸垡即危簿褪菍④浶噪娐钒宸抡娼M裝至定位，再進(jìn)行掀蓋及合蓋的模擬，故整個(gè)分析程序可分為兩個(gè)步驟－模擬組裝及folder 進(jìn)行掀蓋旋轉(zhuǎn)。

首先，仿真組裝就是依相關(guān)幾何位置，將整個(gè)組裝程序分解為數(shù)個(gè)loadcase，分別藉由個(gè)別loadcase 的動(dòng)作，將軟性電路板推入Folder和Base 的限制空間，得到軟性電路板安裝于機(jī)構(gòu)內(nèi)部定位的彎折外型(如圖八)。其次，folder 進(jìn)行掀蓋旋轉(zhuǎn)就是等軟性電路板真實(shí)定位后，再旋轉(zhuǎn)約150 度(依各手機(jī)設(shè)計(jì)有所不同)，此時(shí)就可從模擬狀況得知，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，軟性電路板變形及大應(yīng)力位置。

圖八 組裝完成FEM 模型

本文分析工具為MSC MARC，計(jì)算軟性電路板前，本文先計(jì)算單層軟性電路板。圖九、十為單層軟性電路板的計(jì)算結(jié)果，如一般預(yù)估在軟性電路板的轉(zhuǎn)角處為大應(yīng)力位置，其原因除了轉(zhuǎn)角附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象及轉(zhuǎn)角接近旋轉(zhuǎn)中心外，當(dāng)hinge 旋轉(zhuǎn)時(shí)，因軟性電路板旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的偏移量會(huì)變大，較大的偏移量與外殼的接觸摩擦也是產(chǎn)生應(yīng)力的原因。雙層軟性電路板的應(yīng)力分析結(jié)果如圖十一、十二，與單層的結(jié)果相去不遠(yuǎn)。局部放大雙層與單層板的結(jié)果如圖十三至十六，發(fā)現(xiàn)單層與雙層在應(yīng)力分布趨勢(shì)相同。圖十七、十八為單層、雙層開(kāi)蓋接觸狀態(tài)圖。圖十九至二十二為單層、雙層開(kāi)蓋、合蓋的變形輪廓。由接觸狀態(tài)圖及變形輪廓圖比較發(fā)現(xiàn)單、雙層的分布趨勢(shì)相同。圖二三至二四為開(kāi)蓋、合蓋的實(shí)體剖開(kāi)圖，與單、雙層的變形輪廓比較，也相去不遠(yuǎn)。

圖九 單層合蓋應(yīng)力大位置