摘要：本文通过研究已发布的典型防水手机结构特点，针对手机防水密封结构进行分析，指出各类防水密封结构设计的优缺点及其适用场合，并结合作者自身参与开发防水手机的实践经验，提出相应的设计改善建议，希望能为今后的类似项目提供借鉴。
关键词：防水手机；IPX7；密封结构
引言
电子组件是电子产品的核心，如果在潮湿的环境中长期放置或者遇到下雨、不慎掉入水中等场景，轻则造成电子器件腐蚀而失灵，重则可能由短路引发重要数据损毁，甚至设备爆炸，给人民群众的生命财产安全造成极大的损失，因此电子产品的密封防水设计作为一项很重要很实用的功能，被广泛运用于很多的3C消费产品中，以满足消费者全天候实用这类产品的需求。
其实，电子产品防水技术在手表、相机等消费品行业早已被普遍运用。而最早的防水手机概念是针对户外运动及野外作业人员开发的三防机推出的，一开始机身笨重，结构复杂，而随着防水技术的不断改进，以及智能手机普及后，市场需求的推动，防水作为手机开发中的一个新亮点，与时尚外表完美结合，一经推出就获得消费者的青睐，成为新一代智能机市场的宠儿。前些年Moto Defy手机的大卖，就是一个鲜活的案例。
研究智能手机防水结构特点，有助于手机设计工程师和结构件制造企业迅速掌握密封结构的设计要领，成功开发出具有防水功能的新一代智能手机。
一、防水标准简介
想要分析防水手机的结构特点，我们首先需要了解防水标准。电子行业经过多年的研究实践，已形成了一系列成熟的防水测试标准，主要有下列几个标准：
1. IP-XX防水防尘标准——户外电子产品通用防水防尘密封标准，不包括防震防摔抗压标准；
2. RPS（Rugged Phone Standard耐用手机标准）——SONIM公司（一家业内非常出名的三防机开发公司）内部测试标准，不仅有防水标准，还包括了防震防摔抗压标准；
3. AGM OEPT（Outdoor Environment Performance Test户外环境全防测试）——在IP-XX密封标准基础上增加了跌落&碾压&振动测试标准，Raytheon-China内部标准；
4. MIL-STD-810F环境工程考虑和实验室试验——美军国防试验方法标准，包括严酷的军用防震防摔抗压标准。
而在包含手机在内的3C数码产品中，广泛采用的是IP-XX的防水防尘标准，其中第一个X代表防尘等级，有0-6个等级，第二个X代表防水等级，有0-8个等级，上述数值越高防护等级越高。一般来说，0-6级的防水测试标准都是防止短时间内的水流喷、溅影响，而7级以上的防水标准则要进行长时间的静态浸水测试，防护难度大大增加，也更符合生活防水场景的需求，因此市面上的防水手机普遍以IP67以上级别作为自己的商品规格推向市场。
7级以上防水标准如下：
IPX7——短时浸水试验，应使试样放进浸水箱后，样品底部到水面的距离至少为1m，试样顶部到水面距离至少为0.15m，试验时间30min
IPX8——持续潜水试验，高度未满850mm的待测外壳，其最底端应在水面下2m位置，试验时间30min
以上测试后，产品功能不受影响，密封部位不漏水，则为通过试验。
二、常见防水结构简介
要想通过IPX7以上级别的防水测试，开发出一款成功的防水手机，结构设计是关键。
通过拆解市面已发售的防水机，我们可以了解到防水手机常见的密封结构有以下几种形式：
2.1两件硬胶 ＋ 一件硅胶圈（套）过盈装配，形成硬软硬的三明治结构，利用两侧硬胶挤压硅胶，起到密封防水作用。该结构多见于前、后壳等不拆卸大件的周圈密封。其实现的方法通常是一件硬胶上开槽放置硅胶圈，另一件硬胶做骨位，组装后利用骨位挤压硅胶形成密封面。
优点：单件结构简单，易于制造，且密封可靠
缺点：占用结构空间，组装效率低下
2.2硬胶（通常是PC）与TPU/TPE的双色成形件 ＋ 另一件硬胶，组装后硬胶挤压TPU/TPE，起到密封防水作用，多见于电池舱、周边接口防水盖等有开闭需求的部位密封。其实就是利用TPU/TPE替代方案1结构的硅胶件，使之能够与硬胶进行双色注塑，牢固结合，方便开闭，并简化结构。
优点：节省结构空间，组装方便
缺点：注塑级的TPU硬度一般在邵氏硬度65以上，远远硬于硅胶的邵氏硬度30，密封的可靠性要低于硅胶件，因此要求产品具有更好的刚性及更小的变形量才能保证密封质量。双色成形还有成形溢胶的问题需要控制，相对于单色成形的产品，成形的不良率和模具的复杂度、难度都会大大增加。
2.3 LIM（Liquid Injection Molding，即液态硅胶成形技术）件 ＋ 另一件硬胶，组装后硬胶挤压硅胶，起到密封防水作用，也是多见于电池舱、周边接口防水盖的密封，这种工艺与方案2的区别在于直接使用硅胶成形。
优点：既解决了方案1的结构空间及组装问题，又比方案2更加稳定可靠。
缺点：LIM技术实际上是一种套啤工艺，而液态硅胶的流动性又非常好（0.01的间隙都可能出现溢胶），所以封胶难度大，因此对模具精度要求非常高，对硬胶模具和成形的精度要求也很高，成形良率较低，技术门槛高，能够掌握这项技术的加工厂不多，价格也相对较高。
2.4单件软胶＋硬胶直接过盈装配，实现密封效果。多用于经常开闭的各类小件的接口密封盖，可用TPU/TPE直接注塑成形；也用于按键孔、卡槽等部位的防水场合，此时会采用硅胶套或者硅胶垫装配的方式，类似方案1，但能提供局部较大的弹性变形用于控制按键柱与内部电路板的接触
优点：装配简单，开闭方便，成本低廉。
缺点：软件内侧没有硬胶支撑，缺乏一定的刚性，中大尺寸产品受挤压的变形形态难以控制，易造成密封失效。如果加厚胶位增强刚性容易出现缩水，导致注塑形状不稳定。因此该方案不适用于尺寸较大的防水器件。
2.5利用防水背胶粘接两件产品，实现密封。此类结构多见于镜片与壳体、电气元件与壳体间的固定装配。粘接面必须平整，最好是平面或者近似平面的微弧面。根据先前的开发经验，需要1.5mm以上的密封宽度来保证防水效果，小件密封宽度可适当减少至1mm，且要求被粘接件的刚性好及冷热冲击应变小。
优点：装配简单，成本低廉
缺点：不适用于形状起伏变化的表面；长期浸水及冷热冲击后容易失效；密封面积需求较宽，占用结构空间
2.6利用防水胶水粘接两件产品，实现密封。多数场合可以替代背胶作固定件的防水方案，其防水可靠性及粘接力都优于背胶
优点：胶水具有良好的填充性，可以实现各种表面，包括段差面、3D面等特殊部位的密封粘接需求，可靠性好
缺点：作业技巧性要求高，且性能较好的防水胶一般胶干时间较长，需要大量的夹治具配合，作业效率低，生产管理难度高。
另外还有一些诸如超声线密封等方式，由于工艺本身的缺陷比较明显，密封可靠性差，在IPX7的结构中很少采用，本文不做详细分析
三、防水设计建议
通过以上介绍，我们可以知道，一款成功的防水手机，内部的防水结构方案并不相同，不同的位置和功能，需要结合不同的结构方案来选用，才能既满足使用要求，又达成防水密封效果。
根据笔者亲身参与的几个防水机型的开发实践经验，对防水手机的结构设计提出了一些建议和优化方案，愿与大家分享及探讨：
3.1大件密封装配，采用正面挤压软胶的结构，会比侧面挤压的方式更可靠。
3.1.1大件之间的装配通常是上下扣合，挤压量可以通过各处的扣位和螺丝来调整。侧面挤压则只能靠胶件本身刚性来保证预压量，受挤压变形的可能性大，且难以控制。如产品有收缩形变的现象需要做补正修正，修正量也难确定。
3.1.2侧面预压，部件侧面需留软胶装配槽，如果是塑胶产品，模具要设计滑块脱模，滑块夹线对防水有致命影响，容易失效。如果是金属件，检测困难，质量难控制。至于拆件，则会增加零件，且要做密封粘接，组装复杂性、成本和不良率都会增加。
3.2大件固定密封结构，应尽量增加扣位或螺丝，以保证对软胶的预压量，及防止壳件受软胶弹力作用开涨，出现装配间隙，影响外观。
3.3应保证所有防水机能面和装配密封面平整光洁，避免凹凸不平的加工痕迹产生，段差、夹线、顶针印等都是不允许的。
3.4产品加工精度管理是防水密封效果的保证，生产中都要严密监控。因此防水产品的结构设计应尽量考虑防水关键尺寸能够准确快捷地测量，以便于生产管理，。形状复杂、不合理的测量基准面，会影响测量精度，不仅难以管控品质，还容易产生误判。
3.5双色成形的产品，应尽量避免使用加纤料。加纤料易导致双色模前后模温差过大，影响模具配合精度，也难以兼顾软胶溢胶与外观玻纤浮起的成形控制。
3.6软胶颜色尽量以黑色或原色为主。其他配色的颜色偏差不易控制，且容易导致胶料性能变异，影响成形品的机械特性变化，需做相应测试。
3.7防水辅料组装后，需做压合处理，保证完全贴合。
3.8防水过盈量根据产品使用的场合来设计，既要满足防水要求，又要满足装配压力不能过紧，带来装配间隙或者客户体验不佳的问题。给出一些开发的经验值，以供参考：
前后壳硅胶圈密封，预压量设计为0.2mm；
电面与后壳双色软胶预压量（上下压合方法），设计为0.4-0.6mm，软胶前端密封受压位应设计为同侧倾斜，保证受压后不扭曲；
功能接口密封软塞，预压量设计为0.15mm。
3.9普通的模内注塑钢片结构，塑胶与钢片间会有微小缝隙，导致渗水失效，因此密封面不宜跨越钢片与塑胶的分界线。除非采用NMT（纳米成形）工艺，在结构合理的情况下，才可以作为防水密封面使用。
3.10结构允许的话，选用胶厚的背胶，对于矫正变形和提供良好的粘接力都有帮助。
3.11防水硅胶圈装配需设计防呆位，因为硅胶为柔性材质，组装时容易扭曲、旋转，影响防水装配效果效果。设计防呆位可以保证产品正确组装到位。
3.12壳体变形量的管理，一般情况下在0.3mm以内，如果结构组装方式较好，可以适当放宽，具体数值应根据实际机种的试产情况及防水试验的结果综合来确定。严酷的变形量管控，虽然对防水的可靠性是有利的，但也意味生产良率的降低，最终影响产能和成本，需要综合考虑来制定。
3.13防水机型无论在组件制造还是成品组装阶段，都要开发相应的密封检测治具，通过全检控制，才能有效保证最终产品的品质。
结束语
本文着重讨论了防水手机的结构特点，并在产品的设计与改进中，总结出一些开发经验，希望能为手机防水结构设计提供借鉴。
一个成功的防水手机开发项目，离不开优秀的防水结构设计方案，稳定的生产制造能力，良好的质量控制体系以及成熟的防水辅料供应链配套。只要做到了以上四点，防水手机制造将不再是困难的事
相信随着手机制造技术的发展与成熟，防水作为一个实用的生活功能，将会成为未来手机产品的一项基本规格而普及。掌握防水手机的设计制造技术，能够尽早确立优势，在未来的产品中先拔头筹。
参考文献
[1]李韵朝.数码设备的可开闭式防水结构及数码设备.2017.
[2]吴家鑫.三层防水圈的手机潜水壳密封结构.2017.
[3]吴德新.手机的防水密封结构.2012.
论文作者:林扬
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
标签：结构论文; 手机论文; 硅胶论文; 标准论文; 产品论文; 预压论文; 方案论文; 《基层建设》2018年第19期论文;