折叠式移动电话用之软性电路板弯折分析|-电子技术精品网

Deformation analysis of the flex cable for cram shell mobile phone

摘要

折叠式移动电话的设计开发流程中，翻盖测试是相当重要的可靠度测试的项目。所谓翻盖测试,就是将折叠式移动电话连续进行掀盖及合盖数万次。由于软性电路板连接折叠式移动电话的上盖(Folder)及下盖(Base)，在连续进行掀盖及合盖数万次下，软性电路板因受力变形等问题，导致其内部线路受损，Folder的液晶显示模块(LCM)显示异常。

先前的设计者于设计相关部位尺寸及相对位置时，只能依经验法则设计，无法事先评估。本文利用MSC MARC 为分析工具，先利用前处理器建立软性电路板，Folder和Base等有限元素模型。藉由控制边界条件的方式将软性电路板推入Folder和Base的限制空间，以了解软性电路板安装于机构内部定位的弯折外型及预应力，再进行掀盖及合盖的模拟，得知其中软性电路板弯折外型及应力变化，作为评估软性电路板的设计参考。

一、前言

随着市场的快速变动，移动电话研发时程逐渐缩短，利用计算机辅助仿真分析(CAE)，缩短研发流程已成为众多厂商研究的课题，其中翻盖测试是相当重要的的项目。所谓翻盖测试,就是将折叠式行动电话连续进行掀盖及合盖数万次。由于软性电路板连接折叠式行动电话的上盖(Folder)及下盖(Base)，在连续进行掀盖及合盖数万次下，软性路板因受力变形等问题，导致其内部线路受损，Folder 的液晶显示模块(LCM)显示异常。

先前的设计者在设计软性电路板尺寸及结构相对位置时，只能依经验法则设计，无法在成品未完成前做事先评估，事后只能依翻盖测试的结果来判断测试失败的原因，无法获得定性或定量的数据。本文利用FEM 的分析方法，以MSC MARC 为分析工具，利用前处理器Patran 及Mentat 建立软性电路板、Folder 和Base 等有限元素模型，尝试获得定性或定量的数据，但考虑到软性电路板结构组成及疲劳问题的复杂性，将问题局限软性电路板翻折壹次的过程，也就是将软性电路板仿真组装至定位，以了解软性电路板安装于机构内部定位的弯折外型及预应力，再进行掀盖及合盖的模拟，得知其中软性电路板弯折外型及应力变化，作为评估软性电路板的设计参考。

二、软性电路板结构说明及有限元素模型的建立

软性电路板(FPC)连接折叠式移动电话的Folder 及Base 的pcb(印刷电路板)，但受限于折叠式移动电话内部狭窄的空间，单层FPC 无法容纳所有的线路，故多层FPC 广泛运应在折叠式移动电话(如图一)。且为降低FPC 整体的刚性，降低应力值，增加可靠度，每层彼此几乎相贴但不相粘。

每一层软性电路板构成基本上是copper foil ，adhesive，polyimide迭压组成，为使有限元素模型更能符合材料与几何的特性，先利用pro-e 依序建出与真实状态相同的CAD 模型 (如图二、三)，再以Patran 建立FPC 的3D elements。

FPC 穿梭于手机内部狭小的空间，故其组装位置必须重新确认，以厘清相关的位置及弯折的过程中，实际contact 的位置，以利问题的分析(如图四、五、六)。

整个model 网格以六面体(Hexa)元素为主，考虑到整体model元素数目，四层软性电路板只取出两层，每一层FPC 只有一层六面体元素，机壳及部分零件也是以六面体元素为主(如图七)。

三、分析程序及结果

整个分析程序为软性电路板翻折壹次，也就是将软性电路板仿真组装至定位，再进行掀盖及合盖的模拟，故整个分析程序可分为两个步骤－模拟组装及folder 进行掀盖旋转。

首先，仿真组装就是依相关几何位置，将整个组装程序分解为数个loadcase，分别藉由个别loadcase 的动作，将软性电路板推入Folder和Base 的限制空间，得到软性电路板安装于机构内部定位的弯折外型(如图八)。其次，folder 进行掀盖旋转就是等软性电路板真实定位后，再旋转约150 度(依各手机设计有所不同)，此时就可从模拟状况得知，在旋转过程中，软性电路板变形及最大应力位置。

本文分析工具为MSC MARC，计算软性电路板前，本文先计算单层软性电路板。图九、十为单层软性电路板的计算结果，如一般预估在软性电路板的转角处为最大应力位置，其原因除了转角附近易产生应力集中现象及转角接近旋转中心外，当hinge 旋转时，因软性电路板旋转摆动的偏移量会变大，较大的偏移量与外壳的接触摩擦也是产生应力的原因。双层软性电路板的应力分析结果如图十一、十二，与单层的结果相去不远。局部放大双层与单层板的结果如图十三至十六，发现单层与双层在应力分布趋势相同。图十七、十八为单层、双层开盖接触状态图。图十九至二十二为单层、双层开盖、合盖的变形轮廓。由接触状态图及变形轮廓图比较发现单、双层的分布趋势相同。图二三至二四为开盖、合盖的实体剖开图，与单、双层的变形轮廓比较，也相去不远。

四、结论

由分析观察发现，软性电路板破坏原因为folder 旋转造成软性电路板转角产生应力集中的现象，加上hinge 旋转时，软性电路板旋转摆动的偏移量会变大，产生接触摩擦。要避免舒缓这此问题，可由缩小软性电路板宽度、加大内圆角的半径、加大housing 于hinge 处的空间及调整软性电路板相关几何位置等措施改善。

由应力分布及变形趋势而言，单层与双层的分析结果有部分的一致性。考虑到单层、双层与四层的运算时间(运算时间比约为1：10：100)，用单层的分析来评估问题是较为可行。

软性电路板copper foil ，adhesive，polyimide 分别作mesh 虽然较接近真实的model，但考虑到手机产业的时效性，可尝试用等效板的概念来降低model 的复杂性。

图一多层软性电路板