手机柱状马达停转问题的分析与研究

许 超 李瑞敏

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

智能手机的振动反馈是通过其内部的马达模组所产生的，随着智能手机的发展市场上出现了各种各样的马达模组，按照马达模组的形状可以分为柱状马达、扁平马达，按照其功能可以分为线性马达和非线性马达。

选用柱状马达，为AWA 的FS-3075，如图1 所示，是行业内应用较为普遍的类型。此柱状马达由振子、外壳、轴承、磁铁、轴、垫圈、铜线、铁芯、整流子、压敏电阻、电刷、轴承、端盖、FPC 组成。其工作原理是：马达内部有两个磁铁，形成一个N/S 级的磁场，通过给马达通电，让线圈所在的铁芯在磁场的作用力下带动振子产生振动[1]。

开发过程中，柱状马达出现测试停止振动的现象，此问题会严重影响用户体验。为了充分的认识和避免此类问题的反复出现，本文从实际生产问题出发，对此问题进行了全面的分析与深入研究。

1 马达常温寿命试验

1.1 试验内容

试验数量：10 个

试验条件：在常温常湿下，以额定电压驱动马达运转，2 秒开1 秒关，持续循环10 万次

判定标准：试验后常温恢复2 H，转速和电流变化率小于30 %，阻值变化率小于15 %，其他特征在规格内

试验测试：抽取5 台组装后的样机进行常温寿命试验测试

试验结果：其中5 台机器中出现4 台测试NG，循环运转次数5 000 次

异常情况：对停止振动的手机进行拆机，拆机后取出马达，用手敲击马达后又能继续运转。

1.2 问题分析

马达样品型号：FS-3075

马达批次型号：%83U

马达生产日期：2018-03-30

马达分析数量：2 个

1）外观分析

外观检查：取出1 个马达（1#）在显微镜下观察，该制品马达外观结构无异常，转动检查无卡阻感，如图2 所示。

图2 柱状马达#1 外观检测

2）电气性能测试

①用内阻计测试1#马达阻抗，内阻测试无异常。

②通电DC3.0V 进行电气特性测试，1#马达波形显示波形无异常，如图3 所示。

图3 柱状马达#1 电气性能检测

复现性试验：将取出的1#马达放置于实验室内，通电DC3.0 V 按照2 000 ms ON/ 1 000 ms OFF 进行常温试验，4 H 内1#马达出现停振；2#马达整机运行至4 H，未复现停振现象。

由此现象推测，导致马达停止振动的原因为样品内部结构异常。

1.3 样品分解分析

结合以上分析的原因，确定导致此问题的原因应该出现在样品内部，对马达内部不同零部件进行分析。

1）外壳轴承与轴

观察#1 马达样品的外壳轴承和轴，无异常。

2）基板组

①在显微镜下观察，基板组件无电刷变形、轴承倾斜等不良，内腔及电刷上附着有磨损产生的碎屑（属正常现象）；

②测试电刷间距、轴承内径均在规格范围内，如图4 所示，无异常。

图4 柱状马达#1 基板组

3）转子组

①在显微镜下观察，1#马达整流子磨损状态无异常，无铁芯涂装鼓包、端子挂线等不良；

②测试转子三极内阻均在规格范围内，如图5 所示，无异常。

图5 柱状马达#1 转子组

4）外壳组

①在显微镜下观察，1#马达外壳内腔表面光洁，无磁铁脱落碎屑、轴承变形等不良；

②测试外壳轴承内径、磁通量大小等均在规格范围内，如图6 所示，无异常。

图6 柱状马达#1 外壳组

对马达#1 进行拆机分解，未发现其中涉及不良结构零部件，判定导致停止振动的原因并非马达本体零部件异常所致。

1.4 样品成分分析

为进一步对1#马达振动情况进行确认，取在库品马达2 PCS（A、B）、产线在制成品2 PCS（C、D），共计5 PCS 样品，对5 PCS 马达进行成分分析，具体如图7所示。

图7 柱状马达#1 换向器成分

通过EDS 扫描依次对所抽取样品进行成分分析与对比，发现1#马达整流子表面含“Si”元素，在库品及在制品测试均无异常，如图8 所示。

图8 测试样品成分分析表

2 停振失效机理分析

2.1 有害硅元素的来源

初步判定，马达停止振动和马达表面产生的Si 元素存在必然联系，并且和Si 元素沉积的位置也有关系。

在手机整机内部存在很多硅胶套，用于密封器件和缓冲撞击，硅胶套中的主要材质成分为有机硅聚合物。

有机硅聚合物的原料主要是环状有机硅氧烷，通过在碱或酸催化剂作用下开环聚合便可制得聚有机硅氧烷。作为可使用的环硅氧烷来讲，大致有二甲基环硅氧烷、甲基乙烯基环硅氧烷、甲基苯基状硅氧烷、二苯基环硅氧烷、甲基三氟丙基环硅氧烷及甲基氢环硅氧烷等。

通过将这些环硅氧烷与不同种类的端基功能团组合，便可合成各种各样的聚有机硅氧烷，其反应公式如图9所示[2]。

图9 平衡反应公式

在此平衡反应中，会生成低分子聚硅氧烷，低分子聚硅氧烷是指低分子环硅氧烷（D3-D20）和低分子线型体(D3 ～D6)。为了表述方便，一般用D3- D20 的总量测定来表示，其物理特性如图10 所示。

图10 低分子聚硅氧烷物理特性表

2.2 低分子聚硅氧烷的影响

1）导电接触失效

早 在70 年 代 中 期，日 本Jateishi 电 子 公 司 的Yoshmura 等人发现：由于硅橡胶中残存有少量低分子聚硅氧烷，当其制品在电子电器中长期使用时，特别是在较苛刻的条件下容易造成电接触失效[3]。

2）对密闭空间光学透明元器件的影响

在密闭空间中，由于硅橡胶中的低分子环硅氧烷挥发充满在整个密闭空间中，当低分子环硅氧烷在透明光学元器件上富集时，影响光学元器件的透光性，严重干扰光信号的传递和传输，甚至无法工作。

3）涂覆工艺的不良现象

作为电子披覆胶来讲，由于PCB 板涂层很薄，低分子聚硅氧烷随时间的延长，逐渐会从涂层逃逸出来造成涂层的缺陷，使其达不到“三防”的效果。

2.3 低分子聚硅氧烷的导致失效的原因

聚硅氧烷对电器接点的污染一方面是直接因其低的表面张力而使电器接点表面产生蠕变，另一方面，间接污染则来自聚硅氧烷本身的挥发和在接点表面的沉积。此外，残留在聚合物如硅橡胶中的低分子量聚硅氧烷也会逐渐挥发。

由于上述原因，这些低分子环硅氧烷因挥发而充满于电接触空间，而电接触时常会产生电弧及电火花，低分子聚硅氧烷在电弧作用下会反应生成Si02及SiC 等物质，在长期使用中，这些Si02和SiC 等便会沉积在导电接触部位而形成一个绝缘层，从而导致电接触失效。

2.4 试验验证

对于低分子聚硅氧烷而言，对硅胶进行硫化处理可以最大限度的降低硅胶中的低分子聚合物含量。

选择40 个马达样品，分为四组，每组采用10 个马达和不同状态下的硅胶组合，放置于密封的空间中，采用常温循环寿命测试方法，方案如图11 所示。

图11 验证试验组合表

试验结果为：

第1 组没有硅胶干扰，马达振动84 H 小时，无停振；

第2 组非硫化硅胶干扰马达，导致4 个马达在24 H出现停振；

第3 组硫化1 H 硅胶对干扰马达，导致1 个马达在48 H 出现停振；

第3组硫化2 H硅胶对干扰马达，马达振动84 H小时，无停振。

2.5 针对低分子聚合物的防范措施

1）根据验证试验，在电器壳体内部尽量减少使用硅胶制品，以消除其中低分子聚合物的影响和危害。

2）对于必须使用硅胶的情况，要求硅胶制品必须经过两次以上的硫化处理，以消除其中硅元素形成的低分子聚合物带来的潜在影响，其中硅橡胶制品要求的低分子在聚合物满足图12。

图12 低分子聚合物的含量要求

3 总结与展望

硅胶制品广泛应用在日常生活电器、家电产品消费类电子产品以及大型工业产品中，其中形成的低分子聚合物会对电器功能造成严重的损伤[4]。本文通过对手机柱状马达失效现象进行了全面分析，从马达外观检查到内部零部件的分析检测，最后通过成分分析得出影响马达停振的原因为低分子聚硅氧烷。

系统总结了低分子聚硅氧烷造成的影响，阐述了低分子聚硅氧烷造成的失效机理，并最终通过试验验证了分析结果，最后给出相应的解决对策和措施，为家电行业以及消费类电子行业的开发设计人员提供了参考。