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摘 要
折疊式移動電話的設計開發(fā)流程中，翻蓋測試是相當重要的可靠度測試的項目。所謂翻蓋測試,就是將折疊式移動電話連續(xù)進行掀蓋及合蓋數萬次。由于軟性電路板連接折疊式移動電話的上蓋(Folder)及下蓋(Base)， 在連續(xù)進行掀蓋及合蓋數萬次下，軟性電路板因受力變形等問題，導致其內部線路受損，Folder的液晶顯示模塊(LCM)顯示異常。
先前的設計者于設計相關部位尺寸及相對位置時，只能依經驗法則設計，無法事先評估。本文利用MSC MARC 為分析工具，先利用前處理器建立軟性電路板，Folder和Base等有限元素模型。藉由控制邊界條件的方式將軟性電路板推入Folder和Base的限制空間，以了解軟性電路板安裝于機構內部定位的彎折外型及預應力，再進行掀蓋及合蓋的模擬，得知其中軟性電路板彎折外型及應力變化， 作為評估軟性電路板的設計參考。
一、前言
隨著市場的快速變動，移動電話研發(fā)時程逐漸縮短，利用計算機輔助仿真分析(CAE)，縮短研發(fā)流程已成為眾多廠商研究的課題，其中翻蓋測試是相當重要的的項目。所謂翻蓋測試,就是將折疊式行動電話連續(xù)進行掀蓋及合蓋數萬次。由于軟性電路板連接折疊式行動電話的上蓋(Folder)及下蓋(Base)，在連續(xù)進行掀蓋及合蓋數萬次下，軟性路板因受力變形等問題，導致其內部線路受損，Folder 的液晶顯示模塊(LCM)顯示異常。
先前的設計者在設計軟性電路板尺寸及結構相對位置時，只能依經驗法則設計，無法在成品未完成前做事先評估，事后只能依翻蓋測試的結果來判斷測試失敗的原因， 無法獲得定性或定量的數據。本文利用FEM 的分析方法，以MSC MARC 為分析工具，利用前處理器Patran 及Mentat 建立軟性電路板、Folder 和Base 等有限元素模型，嘗試獲得定性或定量的數據，但考慮到軟性電路板結構組成及疲勞問題的復雜性， 將問題局限軟性電路板翻折壹次的過程，也就是將軟性電路板仿真組裝至定位，以了解軟性電路板安裝于機構內部定位的彎折外型及預應力，再進行掀蓋及合蓋的模擬，得知其中軟性電路板彎折外型及應力變化，作為評估軟性電路板的設計參考。
二、軟性電路板結構說明及有限元素模型的建立
軟性電路板(FPC)連接折疊式移動電話的Folder 及Base 的pcb(印刷電路板)，但受限于折疊式移動電話內部狹窄的空間，單層FPC 無法容納所有的線路，故多層FPC 廣泛運應在折疊式移動電話(如圖一)。且為降低FPC 整體的剛性，降低應力值，增加可靠度，每層彼此幾乎相貼但不相粘。
圖一 多層軟性電路板
每一層軟性電路板構成基本上是copper foil ，adhesive，polyimide迭壓組成，為使有限元素模型更能符合材料與幾何的特性，先利用pro-e 依序建出與真實狀態(tài)相同的CAD 模型 (如圖二、三)，再以Patran 建立FPC 的3D elements。
圖二 CAD 模型－膠部分的幾何外型
圖三 CAD 模型－銅線部分的幾何外型
FPC 穿梭于手機內部狹小的空間，故其組裝位置必須重新確認，以厘清相關的位置及彎折的過程中，實際contact 的位置，以利問題的分析(如圖四、五、六)。
圖四 FPC 和JACK 干涉
圖五 確認FPC 和其他部位的接觸(I)
圖六 確認FPC 和其他部位的接觸(II)
整個model 網格以六面體(Hexa)元素為主，考慮到整體model元素數目，四層軟性電路板只取出兩層，每一層FPC 只有一層六面體元素，機殼及部分零件也是以六面體元素為主(如圖七)。
圖七 整個FEM 模型
三、分析程序及結果
整個分析程序為軟性電路板翻折壹次，也就是將軟性電路板仿真組裝至定位，再進行掀蓋及合蓋的模擬，故整個分析程序可分為兩個步驟－模擬組裝及folder 進行掀蓋旋轉。
首先，仿真組裝就是依相關幾何位置，將整個組裝程序分解為數個loadcase，分別藉由個別loadcase 的動作，將軟性電路板推入Folder和Base 的限制空間，得到軟性電路板安裝于機構內部定位的彎折外型(如圖八)。其次，folder 進行掀蓋旋轉就是等軟性電路板真實定位后，再旋轉約150 度(依各手機設計有所不同)，此時就可從模擬狀況得知，在旋轉過程中，軟性電路板變形及大應力位置。
圖八 組裝完成FEM 模型
本文分析工具為MSC MARC，計算軟性電路板前，本文先計算單層軟性電路板。圖九、十為單層軟性電路板的計算結果，如一般預估在軟性電路板的轉角處為大應力位置，其原因除了轉角附近易產生應力集中現象及轉角接近旋轉中心外，當hinge 旋轉時，因軟性電路板旋轉擺動的偏移量會變大，較大的偏移量與外殼的接觸摩擦也是產生應力的原因。雙層軟性電路板的應力分析結果如圖十一、十二，與單層的結果相去不遠。局部放大雙層與單層板的結果如圖十三至十六，發(fā)現單層與雙層在應力分布趨勢相同。圖十七、十八為單層、雙層開蓋接觸狀態(tài)圖。圖十九至二十二為單層、雙層開蓋、合蓋的變形輪廓。由接觸狀態(tài)圖及變形輪廓圖比較發(fā)現單、雙層的分布趨勢相同。圖二三至二四為開蓋、合蓋的實體剖開圖，與單、雙層的變形輪廓比較，也相去不遠。
圖九 單層合蓋應力大位置
圖十 單層開蓋應力大位置
圖十一 雙層合蓋應力大位置
圖十二 雙層開蓋應力大位置
圖十三 局部放大圖－雙層開蓋應力
圖十四 局部放大圖－單層開蓋應力
圖十五 局部放大圖－雙層合蓋應力
圖十六 局部放大圖－單層合蓋應力
圖十七 單層開蓋接觸狀態(tài)
圖十八 雙層開蓋接觸狀態(tài)
圖十九 單層開蓋軟性電路板輪廓
圖二十 單層合蓋軟性電路板輪廓
圖二十一 雙層開蓋軟性電路板輪廓
圖二十二 雙層合蓋軟性電路板輪廓
圖二十三 手機開蓋剖面?zhèn)纫晥D
圖二十四 手機合蓋剖面?zhèn)纫晥D
四、結論
由分析觀察發(fā)現，軟性電路板破壞原因為folder 旋轉造成軟性電路板轉角產生應力集中的現象，加上hinge 旋轉時，軟性電路板旋轉擺動的偏移量會變大，產生接觸摩擦。要避免舒緩這此問題，可由縮小軟性電路板寬度、加大內圓角的半徑、加大housing 于hinge 處的空間及調整軟性電路板相關幾何位置等措施改善。
由應力分布及變形趨勢而言，單層與雙層的分析結果有部分的一致性?？紤]到單層、雙層與四層的運算時間(運算時間比約為1：10：100)，用單層的分析來評估問題是較為可行。
軟性電路板copper foil ，adhesive，polyimide 分別作mesh 雖然較接近真實的model，但考慮到手機產業(yè)的時效性，可嘗試用等效板的概念來降低model 的復雜性。
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