基于Pro/E的大屏幕智能手机堆叠设计

贺柳操

（湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151)

我国移动通信技术从无到有，在历经二十几年发展过程中，其终端设备--手机，已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。手机从发明之初发展到今天，在其造型上经历了从直板到翻盖，再从翻盖到旋盖、滑盖，再到如今的全屏触模大屏幕智能手机；在其功能上也从简单的通话功能发展到了现代集多媒体、互联网、短信以及通话多功能为一身的智能化手机。随着2010年6月7日，美国苹果公司正式发布了其精心打造的3.5英寸全屏触摸智能手机“Iphone4”，同年9月份“Iphone4”正式进入中国大陆市场，该手机凭借其先进的工艺、精细的造工以及良好的用户体验，在国内乃至全世界范围内创造了一个销售神话。其它各大手机企业纷纷效仿“Iphone4”的设计，开发出一代又一代的大屏幕智能手机。到近年主流智能手机的显示屏已经达到5英寸以上，大屏幕带来更好地用户体验，同时也带来了一系列的挑战，例如：电池续航能力问题、触摸屏易损问题等。任何新工艺、新技术在刚被开发出来时，都不是那么完美，它们需要开发者经过不断的摸索，历经实验验证，最终才能日趋成熟。本文就如何基于Pro/E设计出符合市场最主流需求的大屏智能手机堆叠技术做一翻探讨。

1 技术现状

目前主流的智能手机品牌，例如苹果、三星、HTC、魅族、中兴、华为等等，其大屏智能机普遍都采用断板式堆叠设计。断板式堆叠设计它不同于以往的全板式PCB（印制电路板）设计，以往全板的PCB设计是一整块PCB板涵盖了手机头部到尾部，电池架在PCB板上即与PCB重叠；而断板式设计则是将PCB板分割成头、尾两块，把电池放在两块PCB板之间，这样做的好处是电池不必与PCB板重叠、整机厚度可以做得更薄并且电池体积可以做得更大，电池体积跟电池的容量是成正比的，所以断板式堆叠设计在一定程度上可以让电池容量做得更大。

为了满足人们对手机个性化的追求，断板式设计其实又可以设计成为很多种，除了传统的头、尾断板，还有“L”形PCB板，“匚”形PCB板，甚至各种不规则的板形搭配都可以。

2 手机设计一般流程

在手机设计的具体流程中，首先是根据客户所指定的功能配置开始，如手机将要达到的功能、规格大小等信息；其次堆叠结构工程师再根据产品定义去进行初版堆叠设计，使用Pro/E软件设计出初版的主板堆叠3D模型，并在主板上画出贴片摆件区域，供硬件设计部来评估各种芯片和电子元件是否摆放得下；然后通过硬件评估，得出主板上的贴片摆件区面积足够，即可由堆叠结构工程师再生成最终的六视角堆叠线框图，供ID设计师做具体的外观造型设计；最后ID设计师设计出来的外观造型被客户认可以后，再由ID工程师导出2D六视角的机壳外观造型曲线图，提供给手机机壳结构设计师进行最终的机壳结构设计。因此，一款手机的设计通常需要由公司的结构设计部、硬件设计部和市场部等多部门协同完成，其中结构设计部主要承担主板堆叠结构和手机机壳结构的设计。

3 基于P r o/E的大屏幕智能手机堆叠设计

基于Pro/E的大屏幕智能手机堆叠设计，其内容主要包括手机PCB板3D建模、结构元器件摆放、布件区域限高图设计、堆叠主控零部件设计和堆叠干涉检查等内容。一个良好的布件架构可以节省很多手机内部空间，对后期的外观造型和机壳结构设计有巨大的帮助。下面就如何设计一个符合市场主流需求的大屏智能手机堆叠，逐步作一个阐述和探讨。

3.1 基于P r o/E的手机P C B板3 D建模

应用ProE软件，在作好相关选项的设置后，进入草图模式即可定义主PCB板的外形设计，通过拉伸将主PCB板拉伸成1mm厚，完成初步的主体设计，后续再根据需要完成相关螺丝孔、定位孔的设计。使用同样的方法新建一个副板PCB零件，设计一块副板PCB。一般情况下主板PCB设计得相对大一点，用来放手机芯片相关物料及手机主要元器件；而副板PCB可设计得相对小一点，主要用来作为天线设计区域，同时也可以放置一个15mmx11mmx3.6mm的喇叭。主板放在手机头部，副板放在手机尾部，而两块板子中间放置电池，如图1所示，这就是典型的断板式堆叠设计。主、副板之间的数据传输靠一块FPC柔性板来连接，而RF信号则通过一根同轴线来连接。

3.2 基于P r o/E的结构元器件摆放

在PCB板3D模型以及其它结构元器件3D模型都准备好之后，即可进行堆叠摆件。一款智能手机上的元器件主要包括：显示屏、电池、喇叭、听筒、话筒、摄像头、耳机插座、USB插座、按键、震动马达、SIM卡、T-flash卡等。堆叠设计师将通过ProE软件的装配模块，首先选择主PCB板的3D模型文件，将其位置固定好；然后再分别将其他的元器件装配到位。在装配显示屏3D模型时，需要将显示屏架在主板PCB上，当主板PCB上需要放置手机芯片等贴片电子料时，则需要留出合适的安全距离，避免显示屏碰到主板上的贴片电子料。一般情况下显示屏底部到主板PCB之间距离留1.6～1.8 mm即可，但是对于大屏幕的手机而言，整机强度显然致关重要，结构上往往会需要在显示屏和主板PCB之间设计一块较大的金属钢板来增加整机强度，所以这种情况下安全间隙需要在1.6～1.8mm的基础上再考虑金属钢板的厚度。例如一金属钢板件的厚度为0.5mm，则在堆叠设计时应把显示屏移到主板PCB的安全距离2.2mm以上。

图15.0＂L C D的智能手机断板式堆叠图

图25.0＂L C D的智能手机主板限高图

堆叠摆件过程中还需要重点关注的一点，是需要设计师充分考滤到元器件的实际公差，留出足够安全距离。在实际生产中任何零部件都是有一定范围的公差，不可能完全100%跟设计图纸相同；在堆叠设计时就需要注意SMT水平公差、焊锡厚度公差、五金件平整度、装配配合公差以及各个结构元器件本身的公差。

3.3 基于P r o/E的布件区域限高图设计

在Pro/E软件中完成了结构元器件的摆放之后，初版的堆叠设计告一段落。此时需要堆叠设计师在PCB板上画出可以用来放置手机芯片和所有贴片电子物料的区域，并且明确画出哪些区域可以放高器件、哪些区域只能放矮器件，给出具体的限制放置高度，这个工作完成后需导出一比一大小的2D线框图，即布件区域限高图，如图2所示。硬件部门的布局工程师根据布件区域限高图来评估手机所有芯片和所有贴片电子料是否全部能放得进去。堆叠设计师在做布件区域限高图的时候，同样需要考滤到SMT水平公差，以及装配配合公差等等。

在Layout工程师评估认为PCB板摆件面积足够，确定此堆叠方案可行，这时则可以由堆叠设计师从堆叠3D模型文件中导出六面视角的堆叠线框图到2D文件中，把此2D文件交给ID造型工程师去设计手机的最终外观造型。造型确定之后机壳结构工程师才做后续的壳子结构设计。

3.4 基于P r o/E的堆叠主控零部件设计

堆叠上的一些主控零部件，主要是指主板PCB上面的屏蔽罩、转接FPC、同轴线以及其它辅助物料。需要堆叠设计师使用Pro/E软件把这些零件都一个一个准确地画出来，可参照前面的PCB板3D建模步骤完成这些画图工作。由于这些零部件会直接跟后期的机壳结构有装配关系，因此要求堆叠设计师在设计这些零部件的时候要充分考虑到后期机壳结构设计的可行性，使整个机壳结构设计达到最优化。为便于理解，需要堆叠设计师做一份详细堆叠说明书，以便机壳结构设计工程师参考。

3.5 基于P r o/E的堆叠干涉检查

堆叠干涉检查主要包括检查堆叠上各个结构元器件之间是否干涉、所有元器件是否和PCB板干涉、屏蔽罩是否与贴片电子元器件干涉，不能有干涉并且装配元器件之间要求留出一定的安全间隙，目的是为了防止元器件损坏或者防止某些导电元器件在手机通电之后造成电路短路。

基于ProE软件进行堆叠干涉检查，要求堆叠设计师首先打开Pro/E软件，点击打开按钮，然后找到堆叠总装配文件并且将其打开。如果装配文件里面零部件不多的话，可以直接使用全局干涉命令来检查整个总装配文件中存在的所有干涉；在Pro/E软件中的步骤为，依次点击菜单命令中的“分析”=＞“模型”=＞“全局干涉”，然后点预览按钮，软件系统就会自动进行全局干涉分析检查。如果装配文件里面的零部件实在是太多的情况下，使用全局干涉检查就会降底工作效率，此时可以使用配合间隙命令来检查两个小零件之间的相对干涉；在Pro/E软件中的步骤为，依次点击菜单命令中的“分析”=＞“模型”=＞“配合间隙”，然后在左边模型树列表中分别点选两个需要检查的小零件，软件系统就会自动进行相对干涉分析检查。发现干涉之后，依据实际情况使用Pro/E软件对造成干涉的零件进行局部切除，或者依据实际情况在装配文件中调整干涉零件的相对装配位置，以达到消除干涉的目的。

4 结语

本文以目前最为主流的大屏幕智能手机为例，分别阐述了目前智能手机的整个设计流程和基于Pro/E的大屏幕智能手机的PCBA堆叠设计的过程。通过手机在堆叠设计流程的划分，实现了如何设计出一款功能齐全、结构可靠并且电池容量可以尽量做到最大的智能手机的方法，遵循以上设计规则，进行大屏幕智能手机的设计，可使研发部门在新产品开发的道路上能做到更科学有效。

[1]赵勇.基于P r o/E的手机结构数字化设计[J].科协论坛, 2013,(1):121-122.