劉廣闊 王曉東 尹鳳福 符永高

1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061；2.中國(guó)電器科學(xué)研究院 廣東廣州 440105

1 引言

2019年我國(guó)全年智能手機(jī)生產(chǎn)量12.27億部，2020年我國(guó)全年累計(jì)生產(chǎn)智能手機(jī)11.5億部[1]。2020年產(chǎn)生廢舊手機(jī)數(shù)量高達(dá)5.5億部，2020年現(xiàn)存廢舊手機(jī)超過(guò)10億部。

如何處理廢舊手機(jī)成為亟待解決的問(wèn)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(dāng)前進(jìn)行材料回收的主流拆解方式[3]，廢舊手機(jī)中80%元器件可再利用[4]，破壞性拆解會(huì)損壞部分功能良好的元器件，引起電子廢棄物污染，特別是對(duì)水生態(tài)與土壤生態(tài)的破壞[5]。自動(dòng)化無(wú)損拆解是處理廢舊智能手機(jī)的趨勢(shì)，更好地了解手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連接情況，是全自動(dòng)化無(wú)損拆解的基礎(chǔ)[6]。

目前國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的拆解問(wèn)題做出了深入研究，但考慮連接與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素的廢舊手機(jī)拆解研究較少，廢舊手機(jī)結(jié)構(gòu)具有連接緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、螺釘精密等特點(diǎn)[7]，這些特點(diǎn)增加了拆解難度。通過(guò)對(duì)近5年國(guó)內(nèi)外智能手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連接方式的對(duì)比分析，總結(jié)手機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)；對(duì)主流類(lèi)型的廢舊智能手機(jī)的連接特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施與發(fā)展方向，為廢舊智能手機(jī)無(wú)損拆解提供依據(jù)。

2 廢舊智能手機(jī)結(jié)構(gòu)拆解分析

2.1 小米系列手機(jī)結(jié)構(gòu)拆解分析

2015年小米5手機(jī)發(fā)布上市，小米5手機(jī)主要零部件包括：屏幕、后蓋、第一層主板螺釘、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、后攝像頭、后攝像頭蓋板、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(jī)為典型三段式結(jié)構(gòu)，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(yáng)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(kāi)機(jī)按鍵采用小鋼片固定，處理器芯片、內(nèi)存芯片分別錫焊在主板上。按鍵排線通過(guò)BTB接口與尾板連接，尾板連接振動(dòng)馬達(dá)與充電接口。手機(jī)屏幕通過(guò)密封膠與邊框相連，同軸線通過(guò)邊框空隙連接主板。

小米6手機(jī)SIM卡槽增加防水橡膠圈，后蓋改用密封膠連接，密封膠拆解采用加熱方式，在70～90℃下用300 W熱風(fēng)槍加熱2 min，密封膠即可融化。后蓋覆蓋石墨散熱膜，提高手機(jī)散熱能力。采用雙攝像頭，取消耳機(jī)接口，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了防水防塵的效果。整機(jī)螺釘使用18顆。

小米8手機(jī)增加指紋識(shí)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(zhuǎn)子馬達(dá)換用線性馬達(dá)，四角注塑加厚。全面屏頂部集成傳感器、紅外相機(jī)、紅外照明燈、聽(tīng)筒等多個(gè)零部件。小米9后置指紋改為屏下指紋。增加了無(wú)線充電功能。

小米10手機(jī)增加散熱膜，攝像頭保護(hù)蓋與閃光燈整體設(shè)計(jì)，改用雙層兩欄式布局，L形主板。電池設(shè)有快拆口，雙層主板設(shè)計(jì)節(jié)省內(nèi)部空間，對(duì)散熱提出了較高的要求，雙層主板將會(huì)是未來(lái)主板設(shè)計(jì)的主流模式。

通過(guò)對(duì)小米5到小米10這五代產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，對(duì)每一代的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、連接方式、可拆解模塊、發(fā)展方向做總結(jié)概括?？刹鸾饽K拆解相關(guān)信息如表1所示。

表1 小米系列手機(jī)拆解

2.2 華為系列手機(jī)結(jié)構(gòu)拆解分析

華為系列手機(jī)選取近5年上市的P系列進(jìn)行分析。華為P8后蓋卡扣連接，L型主板，共2種規(guī)格16顆螺釘，可拆解為：后蓋、電池、揚(yáng)聲器、保護(hù)墊片、降噪麥克風(fēng)主板、耳機(jī)孔、呼吸燈、屏蔽罩1、充電插頭、屏蔽罩2、后攝像頭、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(cè)另有2顆螺釘固定，邊框與后蓋一體化設(shè)計(jì)，密封膠連接，同時(shí)有卡扣連接。華為P10去掉主板保護(hù)蓋板，加裝元器件屏蔽罩，主板面積減小，集成度進(jìn)一步提高。揚(yáng)聲器、振動(dòng)馬達(dá)用BTB連接器連接，兩個(gè)攝像頭集成為一個(gè)部件，用螺釘固定金屬擋板保護(hù)。

華為P20加裝主板保護(hù)蓋與散熱片，三層三段式結(jié)構(gòu)。華為P30為三層三段式結(jié)構(gòu)，密封膠連接后蓋，攝像頭蓋板與后蓋整合一體，加入潛望式鏡頭。主板雙層設(shè)計(jì)，雙層主板為攝像頭提供空間，SIM卡槽移至下方尾板，感應(yīng)器通過(guò)觸點(diǎn)與主板相連。電池采用快拆口設(shè)計(jì)。華為P40為三層式設(shè)計(jì)，后蓋為常規(guī)緩沖層和攝像保護(hù)，蓋板集成閃光燈、測(cè)溫傳感器和激光對(duì)焦，3個(gè)攝像頭使用1個(gè)防滾架固定，“斧頭形”主板設(shè)計(jì)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(jī)2種共19顆螺釘固定。

華為P系列手機(jī)主要采用三層三段式結(jié)構(gòu)，主板有L形、匚形、□形、其中□形最多。主板蓋板模塊化零件增多?；跀z像頭空間占位問(wèn)題，采用雙層主板設(shè)計(jì)，華為P系列手機(jī)相機(jī)保護(hù)措施良好，增加多個(gè)防滾架固定。

2.3 iPhone 系列手機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)雙層式設(shè)計(jì)，后蓋全金屬包裹。主板元器件采用Y型螺釘固定屏蔽罩保護(hù)。聽(tīng)筒、前置攝像頭、傳感器等通過(guò)螺釘固定屏蔽罩安裝在屏幕上，屏幕保護(hù)背板側(cè)面12顆螺釘固定，背板上部?jī)蓚?cè)粘連固定，按鍵采用螺釘固定屏蔽罩保護(hù)，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(shí)有1顆六角螺釘固定。揚(yáng)聲器和副板在底部用螺釘及粘貼連接。揚(yáng)聲器出聲孔位置防塵鋼網(wǎng)嵌入邊框，底部排線連接開(kāi)機(jī)鍵以及閃光燈。iPhone6零部件可拆解為：屏幕、螺釘、聽(tīng)筒、Home鍵、散熱片、前攝像頭、電池、后攝像頭、主板、尾插排線、連接器、卡托、振動(dòng)器、揚(yáng)聲器、電源排線、音量排線、后蓋。

iPhone7將排線從屏幕頂部改屏幕底部，屏幕右側(cè)開(kāi)啟，左側(cè)排線連接，攝像頭2顆，1個(gè)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(wú)線充電線圈，利用粘膠貼在手機(jī)外殼底部，螺釘種類(lèi)減少且通用。

iPhone X取消物理Home鍵，全面屏設(shè)計(jì)。屏幕模組集成環(huán)境光傳感器、距離傳感器、泛光感應(yīng)器、揚(yáng)聲器聽(tīng)筒、前攝像頭、紅外傳感器等。主板采用雙層設(shè)計(jì)，疊加封裝。兩塊電池L形串聯(lián)設(shè)計(jì)，元器件內(nèi)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(dú)用螺釘固定，主板為I型雙層主板，共15個(gè)BTB接口，揚(yáng)聲器通過(guò)觸點(diǎn)與副板連接。整機(jī)共計(jì)27種，73顆螺釘。iPhone12采用L型雙層主板，主板移到左側(cè)，線性馬達(dá)與揚(yáng)聲器體積減小，為主板提供更多空間。

綜合六代iPhone手機(jī)分析，iPhone手機(jī)結(jié)構(gòu)組件趨于穩(wěn)定，模塊化清晰，內(nèi)部采用大量屏蔽罩固定，增加機(jī)身零部件可靠性，取消中框，有利于降低機(jī)身厚度與質(zhì)量，但對(duì)裝配工藝有較高的要求，也會(huì)增加拆解難度。

3 智能手機(jī)整體對(duì)比分析

3.1 拆解難度對(duì)比分析

iPhone系列手機(jī)和國(guó)內(nèi)品牌手機(jī)相比，主要是采用兩層式設(shè)計(jì)，邊框與后蓋一體化，拆解方向先從屏幕開(kāi)始。iPhone手機(jī)內(nèi)部整體采用大量螺釘固定屏蔽罩隔絕排線，每臺(tái)iPhone大約70顆螺釘固定，主板主要為L(zhǎng)型設(shè)計(jì)，采用線性馬達(dá)。iPhone系列揚(yáng)聲器組件相比小米與華為系列較大，且單獨(dú)設(shè)計(jì)。國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商主要采用一整塊主板保護(hù)蓋來(lái)保護(hù)排線，主流模式為三層三段式，拆解方向一般從后蓋開(kāi)始，國(guó)內(nèi)廠商較多采用轉(zhuǎn)子馬達(dá)，揚(yáng)聲器集成于尾板蓋板上，減少零部件數(shù)目，國(guó)產(chǎn)智能手機(jī)品牌大約有16至20顆螺釘固定。智能手機(jī)內(nèi)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(shù)目最多，膠粘拆解時(shí)間最長(zhǎng)需要熱風(fēng)槍加熱。

表2為智能手機(jī)主要的內(nèi)部連接類(lèi)型以及拆解能耗對(duì)比與優(yōu)缺點(diǎn)分析，主板面板主要有M1.0、M1.2、M1.4、M1.6四種螺釘型號(hào)，其中M1.4型號(hào)螺釘使用最多，其標(biāo)準(zhǔn)拆解扭力值為0.48 kg·cm。

表2 智能手機(jī)內(nèi)部連接方式分析

手機(jī)內(nèi)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(shí)間對(duì)比圖，螺釘拆解時(shí)間由3次人工拆解時(shí)間平均值計(jì)算得出，螺釘平均拆解時(shí)間為5 s/個(gè)。X軸表示拆解手機(jī)型號(hào)，Y軸表示拆解時(shí)間。由圖1可知，螺釘拆解時(shí)長(zhǎng)基本隨著手機(jī)代數(shù)的增長(zhǎng)逐漸增加，因iPhone系列手機(jī)螺釘數(shù)目較多且型號(hào)種類(lèi)較多，故iPhone系列螺釘拆解時(shí)長(zhǎng)最高360 s；遠(yuǎn)大于小米品牌最高105 s，小米系列螺釘拆解平均時(shí)長(zhǎng)100 s；略高于華為系列平均拆解時(shí)長(zhǎng)90 s。對(duì)于其他連接方式，卡扣連接的拆解時(shí)間為3 s/個(gè)，膠粘連接拆解時(shí)間約為90 s/個(gè)。BTB連接約為4 s/個(gè)，RF射頻線連接約為6 s/個(gè)。

圖1 三種品牌螺釘拆解時(shí)間對(duì)比圖

3.2 智能手機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和易拆解設(shè)計(jì)建議

三種品牌智能手機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在一些差異，但具有相似的發(fā)展趨勢(shì)，主要在于以下幾點(diǎn)：

（1）功能豐富，多攝像頭；

（2）逐步取消物理按鍵，全面屏設(shè)計(jì)；

（3）雙層主板設(shè)計(jì)成為主流，主板占位逐步減少；

（4）密封越來(lái)越嚴(yán)，防塵防水性能好；

（5）集成度更好，模塊化更清晰。

在智能手機(jī)結(jié)構(gòu)功能多樣性發(fā)展的進(jìn)程中，又存在一些結(jié)構(gòu)上的不足，增大拆解難度，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）國(guó)產(chǎn)手機(jī)主流三層式結(jié)構(gòu)，更換屏幕需將整機(jī)完全拆解，拆解維修麻煩，建議發(fā)展雙層式結(jié)構(gòu)。

（2）部分主板形狀不規(guī)則，形狀突變處在手機(jī)跌落過(guò)程中會(huì)引起較大應(yīng)力集中，增加主板折斷風(fēng)險(xiǎn)。建議減少形狀過(guò)大突變，或增加緩沖層保護(hù)。

（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(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)內(nèi)部空間，壓縮主板體積，導(dǎo)致散熱不良。

（4）模塊化與集成度不夠，如多個(gè)攝像頭用多個(gè)BTB連接器連接，可整合為一個(gè)接口多個(gè)攝像頭結(jié)構(gòu)，無(wú)線充電可與后蓋整合，避免零部件數(shù)量激增。

（5）過(guò)度壓縮主板面積，如小米系列部分主板采用BGA技術(shù)疊加封裝，導(dǎo)致CPU散熱不良，同時(shí)跌落過(guò)程中容易發(fā)生脫焊現(xiàn)象，應(yīng)加焊腳固定。

4 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)手機(jī)品牌主要采用三層三段式結(jié)構(gòu)，iPhone系列采用雙層兩欄式，三層三段式內(nèi)部屏蔽罩少，但拆解能耗高，拆解時(shí)間短，機(jī)身較厚；雙層兩欄式需要加多個(gè)屏蔽罩保護(hù)，拆解能耗低，拆解時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)身相對(duì)較薄。

（2）智能手機(jī)發(fā)展趨勢(shì)上連接越來(lái)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(shì)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(lèi)復(fù)雜，多個(gè)屏蔽罩保護(hù)，拆解難度最大。華為系列模塊化設(shè)計(jì)最好，層次分明，小米系列散熱系統(tǒng)較好，增加大量散熱零部件。三種品牌整體拆解難度上iPhone遠(yuǎn)大于小米，小米系列手機(jī)略大于華為系列手機(jī)。