智能手機前殼設計方案研究

林協(xié)源

（維沃移動通信有限公司，廣東 東莞 523859）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，在短短20多年的時間內，手機從功能機時代跨越到了智能機時代，前前后后都發(fā)生了翻天覆地的變化。手機背面先后出現(xiàn)過單一材質或噴涂塑膠后蓋、金屬后蓋、復合塑膠后蓋和無機非金屬后蓋（主要指玻璃和陶瓷）等。手機正面屏幕無論從黑邊大小、視窗大小再到屏幕材質、發(fā)光原理，都有了長足的發(fā)展。在手機前后兩面外觀受到充分關注時，還有部分外殼料因為外觀面積比較小常常容易被消費者忽略，如在屏幕和主板之間的殼料（后續(xù)統(tǒng)稱前殼）。雖然前殼對外觀的重要性相比后蓋和屏幕要小些，但在整機里的結構作用卻十分關鍵，是保證屏幕、主板可靠性和電池安全等的重要基礎，是保證手機結構可靠性的關鍵零部件。

智能手機前殼的材質基本可以歸納為塑膠材質、塑膠+金屬材質兩大類，后者又可分為塑膠+金屬嵌件、一體式金屬中框兩類。

本文主要從不同材質對應殼料設計方案、殼料間的配合和整機相關方案等方面進行梳理和總結。

1 純塑膠前殼

功能機階段，除了前殼，手機的其他主要殼料基本都是塑膠材質。智能機階段，全塑膠前殼主要出現(xiàn)在早期小屏階段（4 in及以下）。如今采用塑膠前殼的手機基本都是低端智能手機。

此類前殼分為噴涂和不噴涂的兩種。噴涂的位置主要集中在能觸摸到的外觀區(qū)域。不噴涂的素材前殼多采用PC或PC+ABS注塑而成。噴涂前殼可采用PC、PC+ABS或PC+GF等材質。

PC材料力學強度好、耐沖擊性強、成型精度高、尺寸穩(wěn)定，成型收縮率基本為0.5%～0.7%，流動方向和垂直方向的收縮基本一致[1]。其收縮率計算公式為

式中：S為收縮率；L0為室溫時的模具尺寸；L為室溫時的塑膠尺寸[2]。

PC+ABS通常比例為7：3，具體不同牌號有些許差異。PC+GF（玻璃纖維）主要是為了提升PC原有的強度和耐熱性（防火等級高）。具體材質的選擇取決于前殼的相關設計和性能需求，選擇的邏輯為流動性：PC+ABS≥PC≥PC+GF；強度：PC+GF≥PC≥PC+ABS。

考慮到純塑膠前殼的強度和注塑成型等因素，電池倉的塑膠厚度通常要做到0.65 mm或以上，電池倉兩側盡量設計骨位以增加其強度。前殼和后殼（主板和后蓋之間的殼料）四周用扣位和插骨配合，內部則用螺釘鎖緊?；诔杀緦?，螺釘采用自攻牙螺釘，即前殼只需留光孔，此類結構特征簡單，成型工藝簡單。采用純塑膠前殼的手機天線多用0.15 mm厚的鋼片沖壓而成，如圖2所示。鋼片天線通過后殼上的塑膠骨位熱熔后固定，通過沖壓出的彈性特征與主板接觸傳輸信號。

圖2 鋼片天線圖

此類純塑膠的前殼，在手機屏幕越來越大的潮流下，早已不再適用，取而代之的是塑膠+金屬前殼。細分之下有塑膠+金屬嵌件前殼、一體式金屬中框兩大類。

2 塑膠+金屬嵌件前殼

在塑件+金屬嵌件方案的前殼上，手機外觀部分都是塑膠，金屬嵌件作為其“骨骼”嵌套在塑膠中間。此料前殼大致可分為兩種：塑膠+鋼片嵌件前殼、塑膠+鎂鋁合金嵌件前殼。塑膠+鎂鋁合金嵌件前殼又可分為鎂鋁合金做天線和不做天線兩種。

2.1 塑膠+鋼片嵌件前殼

圖3所示為以鋼片為嵌件的前殼。采用此類前殼，強度比純塑膠前殼提升較多，手機屏幕可達到5 in及以上。為保證整機強度，鋼片厚度通常為0.4 mm，通過連續(xù)模沖壓而成，成型效率高。因塑膠和鋼片不相熔，兩者的結合需要通過鋼片上的抓膠結構實現(xiàn)。常用的抓膠結構有沉臺通孔和沉槽等（如圖5（a））。

塑膠材質多與純塑膠前殼一致，外觀面多為模具直接成型的高光面。材質為PC+GF時，高光面容易出現(xiàn)浮纖的情況，故采用此材質的前殼外觀面一般比較小或者增加噴涂。因嵌件的存在，塑膠收縮率不能按理論值計算，需基于實際結構調整，甚至個別方向無需考慮收縮問題。

此類前殼和純塑膠前殼多見于屏分為觸摸蓋板和LCD兩部分的手機上。LCD自帶金屬框，通過導電雙面膠固定和接地，蓋板則通過雙面膠粘接固定（雙面膠同時壓住LCD金屬框邊緣）。與采用塑膠前殼的手機一樣，螺釘仍為自攻牙螺釘。此種結構雖然成型簡單，但鎖牙轉矩需嚴格控制，松緊多次后螺釘容易滑牙。天線形式除了上述的鋼片天線，還會采用柔性電路板（FPC）和LDS天線（采用激光直接成型技術，在塑膠表面活化出電路線圖）這兩種，這兩種天線工藝復雜，成本較高，是目前應用最廣的兩種方案。

2.2 塑膠+鎂鋁合金前殼

圖4為以鎂鋁合金做金屬嵌件的前殼，圖6為同樣以鎂鋁合金做前嵌件的不同形式的前殼，為了區(qū)分方便，后者稱為一體式塑膠中框。兩者有個明顯區(qū)別：側面是否有外觀特征，如按鍵孔和出音孔等。

圖4前殼的塑膠和金屬同樣無法互熔，需要通過嵌件的抓膠結構（如燕尾槽）實現(xiàn)相互結合（如圖5（b））。相比圖3類前殼，其優(yōu)勢在于鎂鋁嵌件通過壓鑄（在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄模腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方式[3]）而成，很多前殼特征可通過模具直接成型，中間區(qū)域無需考慮兩種材質的結合問題，且比強度（材料的抗拉強度與材料密度之比）更優(yōu)。

圖3 帶鋼片嵌件前殼

圖4 帶鎂鋁合金嵌件前殼

圖5 抓膠特征

相比上述前殼，此類前殼結構強度進一步提升。屏幕開始選用厚度更具優(yōu)勢的全貼合屏（可改善分體式屏幕內部反光問題）。在屏幕不斷進步的同時，屏下技術（如光電指紋大規(guī)模應用）裝配工藝都在不斷提升：屏由雙面膠固定切換到膠水固定，使得屏幕四周的黑邊寬度更小?；谏鲜鰩c，整機可做到更薄，屏幕顯示區(qū)尺寸更大。

電池亦是從這時開始從硬包電池轉換到軟包電池，電池安全性能大大提升。此類殼料的螺孔螺紋成型方式也有所不同，金屬部分的螺牙通過攻絲而成，塑膠部分的螺紋則通過熱熔螺母實現(xiàn)。螺釘?shù)逆i緊力和螺孔壽命大大提升。

圖6為一體式塑膠中框及其金屬嵌件（嵌件多為鋁合金）。與上述前殼相比，除了外觀部分面積特征更多和外觀工藝更復雜外，還有一點比較大的差異：金屬嵌件充當天線。此點與后續(xù)提及的一體式金屬中框相同又有所不同。

此類嵌件與圖4類嵌件類似都是通過壓鑄而成，成型效率高。不同的是，此類嵌件在塑膠注塑成型后，需要將防止充當天線部分的金屬在注塑時變形甚至開裂的連料用CNC加工掉。另外，該一體式塑膠中框外觀必須噴涂，可做到類金屬效果。

采用圖1～圖4類前殼方案的手機，后蓋（手機背面外觀件）通常與后殼相互配合，外觀明顯可見三大件；亦可后蓋包住后殼與前殼配合，外觀只見兩大件。此類手機，后蓋幾乎都是通過扣位+止骨的方式與其他殼料組裝到一起；圖6類前殼，后蓋則通過雙面膠直接粘接在其上。

圖1 塑膠前殼

圖6 一體式塑膠中框

3 一體式金屬中框

如圖7所示，為一體式金屬中框和其金屬部分。此中框與一體式塑膠中框結構形式非常接近，最主要的區(qū)別是金屬中框外觀面材質是主要是金屬（外觀有明顯有斷縫，此為天線需求），塑膠中框外觀面全是塑膠（斷縫在塑膠內部，不顯于外觀）。此兩類中框對應著鋁合金的兩種分類：變形鋁合金和鑄造鋁合金[4]。與前面的前殼相比，此兩類中框開始搭載3D 曲面屏幕，其中一體式金屬中框多出現(xiàn)在中高端機型上，塑膠一體中框多用在中端機型。

圖7 一體式金屬中框

金屬中框的材質通常為PBT+變形鋁合金（安卓手機常用），其中塑膠和鋁合金的結合工藝俗稱納米注塑，兩者的結合力要遠優(yōu)于上述各種方案。外觀顏色效果通過陽極氧化而成。按照國家標準，鋁陽極氧化的定義是一種電解氧化過程，在該過程中鋁或鋁合金的表面通常轉化為一層氧化膜，這層膜具有防護性、裝飾性及一些其他的功能[5]。此類中框大部分特征由CNC加工而成，設計時需著重考慮加工刀具的大小，優(yōu)化加工時長。而上述幾種前殼，則需注重特征的肉厚（縮水問題）和模具強度（模具壽命）。

4 結語

手機前殼的設計方案已相對成熟，目前主流的設計方案基本為圖4、圖6和圖7三類前殼，圖1和圖2類在大屏時代基本不采用。采用不同的前殼，整機的殼料拆件形式有所區(qū)別，對應的天線方案差異比較大，覆蓋的機型價位也不盡相同?？偟膩碚f，一部手機選用哪種前殼，具體需要根據(jù)手機本身的定位做相應選擇。