劉廣闊1 王曉東1 尹鳳福1 符永高2
1.青島 科技 大學機電工程學院
2.中國電器科學研究院
摘要
Abstract
廢舊智能手機內部結構連接特點是研究廢舊智能手機無損化拆解的關鍵；通過對小米、華為、iPhone三種品牌多個系列智能手機進行整機拆解實驗，對手機內部結構連接特點進行了系統對比分析，總結三種品牌手機結構與連接方式優缺點以及發展趨勢，提出了當前智能手機拆解方面存在的結構問題以及改進建議；得到以下結論：三種品牌多個系列智能手機整體拆解難度iPhone遠大於小米，小米略大於華為；這些拆解實驗結果為廢舊智能手機拆解裝備的試制以及新智能手機的綠色設計提供了有力的支撐。
關鍵詞
Keywords
廢舊智能手機；連接方式；結構分析；趨勢
DOI: 10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.04.006
1 引言
2019年我國全年智能手機生產量12.27億部，2020年我國全年累計生產智能手機11.5億部[1]。2020年產生廢舊手機數量高達5.5億部，2020年現存廢舊手機超過10億部。
如何處理廢舊手機成為亟待解決的問題。廢舊電路板富含Cu、Al、Au、Ag、Pd、Pt等普通金屬和貴金屬[2]。破壞性拆解是當前進行材料回收的主流拆解方式[3]，廢舊手機中80%元器件可再利用[4]，破壞性拆解會損壞部分功能良好的元器件，引起電子廢棄物汙染，特別是對水生態與土壤生態的破壞[5]。自動化無損拆解是處理廢舊智能手機的趨勢，更好地了解手機內部結構與連接情況，是全自動化無損拆解的基礎[6]。
目前國內外許多專家對機電產品的拆解問題做出了深入研究，但考慮連接與結構特點等因素的廢舊手機拆解研究較少，廢舊手機結構具有連接緊湊、結構復雜、零部件多、螺釘精密等特點[7]，這些特點增加了拆解難度。通過對近5年國內外智能手機內部結構與連接方式的對比分析，總結手機結構發展趨勢；對主流類型的廢舊智能手機的連接特點和結構進行分析，提出改進措施與發展方向，為廢舊智能手機無損拆解提供依據。
2 廢舊智能手機結構拆解分析
2.1 小米系列手機結構拆解分析
2015年小米5手機發布上市，小米5手機主要零部件包括：屏幕、後蓋、第壹層主板螺釘、第二層主板螺釘、第二層尾板螺釘、呼吸燈、主板蓋板、邊框總成、後攝像頭、後攝像頭蓋板、前攝像頭、按鍵、尾板、同軸線、卡槽、主板、電池、尾板蓋板。
小米5手機為典型三段式結構，主板蓋板利用M1.4螺釘與邊框和主板連接。尾板蓋板利用7顆M1.4螺釘與尾板連接，主板蓋板上集成NFC天線，利用彈片接觸，尾板蓋板集成揚聲器，同軸線用RF接頭連接。主板左邊用1顆M1.4螺釘固定在邊框上，右邊卡扣限位。開機按鍵采用小鋼片固定，處理器芯片、內存芯片分別錫焊在主板上。按鍵排線通過BTB接口與尾板連接，尾板連接振動馬達與充電接口。手機屏幕通過密封膠與邊框相連，同軸線通過邊框空隙連接主板。
小米6手機SIM卡槽增加防水橡膠圈，後蓋改用密封膠連接，密封膠拆解采用加熱方式，在70 90 下用300 W熱風槍加熱2 min，密封膠即可融化。後蓋覆蓋石墨散熱膜，提高手機散熱能力。采用雙攝像頭，取消耳機接口，結構設計上增加了防水防塵的效果。整機螺釘使用18顆。
小米8手機增加指紋識別，使用排線與主板連接，主板蓋板為金屬與塑料混合，主板用2顆螺釘固定。轉子馬達換用線性馬達，四角註塑加厚。全面屏頂部集成傳感器、紅外相機、紅外照明燈、聽筒等多個零部件。小米9後置指紋改為屏下指紋。增加了無線充電功能。
小米10手機增加散熱膜，攝像頭保護蓋與閃光燈整體設計，改用雙層兩欄式布局，L形主板。電池設有快拆口，雙層主板設計節省內部空間，對散熱提出了較高的要求，雙層主板將會是未來主板設計的主流模式。
通過對小米5到小米10這五代產品的內部結構分析，對每壹代的內部結構特點、連接方式、可拆解模塊、發展方向做總結概括。可拆解模塊拆解相關信息如表1所示。
2.2 華為系列手機結構拆解分析
華為系列手機選取近5年上市的P系列進行分析。華為P8後蓋卡扣連接，L型主板，***2種規格16顆螺釘，可拆解為：後蓋、電池、揚聲器、保護墊片、降噪麥克風主板、耳機孔、呼吸燈、屏蔽罩1、充電插頭、屏蔽罩2、後攝像頭、前置、主板、SIM卡槽1、SIM卡槽2、邊框及屏幕。華為P9充電口兩側另有2顆螺釘固定，邊框與後蓋壹體化設計，密封膠連接，同時有卡扣連接。華為P10去掉主板保護蓋板，加裝元器件屏蔽罩，主板面積減小，集成度進壹步提高。揚聲器、振動馬達用BTB連接器連接，兩個攝像頭集成為壹個部件，用螺釘固定金屬擋板保護。
華為P20加裝主板保護蓋與散熱片，三層三段式結構。華為P30為三層三段式結構，密封膠連接後蓋，攝像頭蓋板與後蓋整合壹體，加入潛望式鏡頭。主板雙層設計，雙層主板為攝像頭提供空間，SIM卡槽移至下方尾板，感應器通過觸點與主板相連。電池采用快拆口設計。華為P40為三層式設計，後蓋為常規緩沖層和攝像保護，蓋板集成閃光燈、測溫傳感器和激光對焦，3個攝像頭使用1個防滾架固定，“斧頭形”主板設計12顆M1.4螺釘固定，壓縮電池空間，屏下指紋換用超薄模組，整機2種***19顆螺釘固定。
華為P系列手機主要采用三層三段式結構，主板有L形、匚形、 形、其中 形最多。主板蓋板模塊化零件增多。基於攝像頭空間占位問題，采用雙層主板設計，華為P系列手機相機保護措施良好，增加多個防滾架固定。
2.3 iPhone系列手機結構拆解分析
iPhone6充電口底部由2顆五角螺釘固定，拆解扭力0.15 kg?cm。iPhone系列整機雙層式設計，後蓋全金屬包裹。主板元器件采用Y型螺釘固定屏蔽罩保護。聽筒、前置攝像頭、傳感器等通過螺釘固定屏蔽罩安裝在屏幕上，屏幕保護背板側面12顆螺釘固定，背板上部兩側粘連固定，按鍵采用螺釘固定屏蔽罩保護，電池易拉膠固定。主板形狀L形，在使用普通螺釘固定的同時有1顆六角螺釘固定。揚聲器和副板在底部用螺釘及粘貼連接。揚聲器出聲孔位置防塵鋼網嵌入邊框，底部排線連接開機鍵以及閃光燈。iPhone6零部件可拆解為：屏幕、螺釘、聽筒、Home鍵、散熱片、前攝像頭、電池、後攝像頭、主板、尾插排線、連接器、卡托、振動器、揚聲器、電源排線、音量排線、後蓋。
iPhone7將排線從屏幕頂部改屏幕底部，屏幕右側開啟，左側排線連接，攝像頭2顆，1個防滾架固定，背面用泡沫粘合劑固定在背板上，取消物理按壓Home鍵，改用壓力傳感器。iPhone8增加了無線充電線圈，利用粘膠貼在手機外殼底部，螺釘種類減少且通用。
iPhone X取消物理Home鍵，全面屏設計。屏幕模組集成環境光傳感器、距離傳感器、泛光感應器、揚聲器聽筒、前攝像頭、紅外傳感器等。主板采用雙層設計，疊加封裝。兩塊電池L形串聯設計，元器件內部采用防水膠密封。iPhone11采用單塊矩形電池，SIM卡槽脫離主板，單獨用螺釘固定，主板為I型雙層主板，***15個BTB接口，揚聲器通過觸點與副板連接。整機***計27種，73顆螺釘。iPhone12采用L型雙層主板，主板移到左側，線性馬達與揚聲器體積減小，為主板提供更多空間。
綜合六代iPhone手機分析，iPhone手機結構組件趨於穩定，模塊化清晰，內部采用大量屏蔽罩固定，增加機身零部件可靠性，取消中框，有利於降低機身厚度與質量，但對裝配工藝有較高的要求，也會增加拆解難度。
3 智能手機整體對比分析
3.1 拆解難度對比分析
iPhone系列手機和國內品牌手機相比，主要是采用兩層式設計，邊框與後蓋壹體化，拆解方向先從屏幕開始。iPhone手機內部整體采用大量螺釘固定屏蔽罩隔絕排線，每臺iPhone大約70顆螺釘固定，主板主要為L型設計，采用線性馬達。iPhone系列揚聲器組件相比小米與華為系列較大，且單獨設計。國產手機廠商主要采用壹整塊主板保護蓋來保護排線，主流模式為三層三段式，拆解方向壹般從後蓋開始，國內廠商較多采用轉子馬達，揚聲器集成於尾板蓋板上，減少零部件數目，國產智能手機品牌大約有16至20顆螺釘固定。智能手機內部連接方式有螺釘、卡扣、膠粘、BTB連接器和RF連接器，其中螺釘連接數目最多，膠粘拆解時間最長需要熱風槍加熱。
表2為智能手機主要的內部連接類型以及拆解能耗對比與優缺點分析，主板面板主要有M1.0、M1.2、M1.4、M1.6四種螺釘型號，其中M1.4型號螺釘使用最多，其標準拆解扭力值為0.48 kg?cm。
手機內部連接方式主要為螺釘連接，螺釘連接直接決定拆解的難易程度。圖1為三種品牌螺釘拆解時間對比圖，螺釘拆解時間由3次人工拆解時間平均值計算得出，螺釘平均拆解時間為5s/個。X軸表示拆解手機型號，Y軸表示拆解時間。由圖1可知，螺釘拆解時長基本隨著手機代數的增長逐漸增加，因iPhone系列手機螺釘數目較多且型號種類較多，故iPhone系列螺釘拆解時長最高360s；遠大於小米品牌最高105 s，小米系列螺釘拆解平均時長100s；略高於華為系列平均拆解時長90s。對於其他連接方式，卡扣連接的拆解時間為3s/個，膠粘連接拆解時間約為90s/個。BTB連接約為4s/個，RF射頻線連接約為6s/個。
3.2 智能手機結構特點和易拆解設計建議
三種品牌智能手機在結構上存在壹些差異，但具有相似的發展趨勢，主要在於以下幾點：
（1）功能豐富，多攝像頭；
（2）逐步取消物理按鍵，全面屏設計；
（3）雙層主板設計成為主流，主板占位逐步減少；
（4）密封越來越嚴，防塵防水性能好；
（5）集成度更好，模塊化更清晰。
在智能手機結構功能多樣性發展的進程中，又存在壹些結構上的不足，增大拆解難度，主要有以下幾點：
（1）國產手機主流三層式結構，更換屏幕需將整機完全拆解，拆解維修麻煩，建議發展雙層式結構。
（2）部分主板形狀不規則，形狀突變處在手機跌落過程中會引起較大應力集中，增加主板折斷風險。建議減少形狀過大突變，或增加緩沖層保護。
（3）近年有些廠商推出升降攝像頭，但升降攝像頭故障率較高，降低防塵能力，機械結構會占據內部空間，壓縮主板體積，導致散熱不良。
（4）模塊化與集成度不夠，如多個攝像頭用多個BTB連接器連接，可整合為壹個接口多個攝像頭結構，無線充電可與後蓋整合，避免零部件數量激增。
（5）過度壓縮主板面積，如小米系列部分主板采用BGA技術疊加封裝，導致CPU散熱不良，同時跌落過程中容易發生脫焊現象，應加焊腳固定。
4 結論
（1）國產手機品牌主要采用三層三段式結構，iPhone系列采用雙層兩欄式，三層三段式內部屏蔽罩少，但拆解能耗高，拆解時間短，機身較厚；雙層兩欄式需要加多個屏蔽罩保護，拆解能耗低，拆解時間長，機身相對較薄。
（2）智能手機發展趨勢上連接越來越牢固，密封性更好，螺釘、膠粘連接逐漸增加，卡扣連接逐漸減少，趨勢上拆解難度逐漸增大。
（3）iPhone系列連接緊密，零部件較多，螺釘種類復雜，多個屏蔽罩保護，拆解難度最大。華為系列模塊化設計最好，層次分明，小米系列散熱系統較好，增加大量散熱零部件。三種品牌整體拆解難度上iPhone遠大於小米，小米系列手機略大於華為系列手機。
參考文獻
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（責任編輯：張蕊）