废旧智能手机拆解结构分析
刘广阔1 王晓东1 尹凤福1 符永高2
1.青岛 科技 大学机电工程学院
2.中国电器科学研究院
摘要
Abstract
废旧智能手机内部结构连接特点是研究废旧智能手机无损化拆解的关键；通过对小米、华为、iPhone三种品牌多个系列智能手机进行整机拆解实验，对手机内部结构连接特点进行了系统对比分析，总结三种品牌手机结构与连接方式优缺点以及发展趋势，提出了当前智能手机拆解方面存在的结构问题以及改进建议；得到以下结论：三种品牌多个系列智能手机整体拆解难度iPhone远大于小米，小米略大于华为；这些拆解实验结果为废旧智能手机拆解装备的试制以及新智能手机的绿色设计提供了有力的支撑。
关键词
Keywords
废旧智能手机；连接方式；结构分析；趋势
DOI: 10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.04.006
1 引言
2019年我国全年智能手机生产量12.27亿部，2020年我国全年累计生产智能手机11.5亿部[1]。2020年产生废旧手机数量高达5.5亿部，2020年现存废旧手机超过10亿部。
如何处理废旧手机成为亟待解决的问题。废旧电路板富含Cu、Al、Au、Ag、Pd、Pt等普通金属和贵金属[2]。破坏性拆解是当前进行材料回收的主流拆解方式[3]，废旧手机中80%元器件可再利用[4]，破坏性拆解会损坏部分功能良好的元器件，引起电子废弃物污染，特别是对水生态与土壤生态的破坏[5]。自动化无损拆解是处理废旧智能手机的趋势，更好地了解手机内部结构与连接情况，是全自动化无损拆解的基础[6]。
目前国内外许多专家对机电产品的拆解问题做出了深入研究，但考虑连接与结构特点等因素的废旧手机拆解研究较少，废旧手机结构具有连接紧凑、结构复杂、零部件多、螺钉精密等特点[7]，这些特点增加了拆解难度。通过对近5年国内外智能手机内部结构与连接方式的对比分析，总结手机结构发展趋势；对主流类型的废旧智能手机的连接特点和结构进行分析，提出改进措施与发展方向，为废旧智能手机无损拆解提供依据。
2 废旧智能手机结构拆解分析
2.1 小米系列手机结构拆解分析
2015年小米5手机发布上市，小米5手机主要零部件包括：屏幕、后盖、第一层主板螺钉、第二层主板螺钉、第二层尾板螺钉、呼吸灯、主板盖板、边框总成、后摄像头、后摄像头盖板、前摄像头、按键、尾板、同轴线、卡槽、主板、电池、尾板盖板。
小米5手机为典型三段式结构，主板盖板利用M1.4螺钉与边框和主板连接。尾板盖板利用7颗M1.4螺钉与尾板连接，主板盖板上集成NFC天线，利用弹片接触，尾板盖板集成扬声器，同轴线用RF接头连接。主板左边用1颗M1.4螺钉固定在边框上，右边卡扣限位。开机按键采用小钢片固定，处理器芯片、内存芯片分别锡焊在主板上。按键排线通过BTB接口与尾板连接，尾板连接振动马达与充电接口。手机屏幕通过密封胶与边框相连，同轴线通过边框空隙连接主板。
小米6手机SIM卡槽增加防水橡胶圈，后盖改用密封胶连接，密封胶拆解采用加热方式，在70 90 下用300 W热风枪加热2 min，密封胶即可融化。后盖覆盖石墨散热膜，提高手机散热能力。采用双摄像头，取消耳机接口，结构设计上增加了防水防尘的效果。整机螺钉使用18颗。
小米8手机增加指纹识别，使用排线与主板连接，主板盖板为金属与塑料混合，主板用2颗螺钉固定。转子马达换用线性马达，四角注塑加厚。全面屏顶部集成传感器、红外相机、红外照明灯、听筒等多个零部件。小米9后置指纹改为屏下指纹。增加了无线充电功能。
小米10手机增加散热膜，摄像头保护盖与闪光灯整体设计，改用双层两栏式布局，L形主板。电池设有快拆口，双层主板设计节省内部空间，对散热提出了较高的要求，双层主板将会是未来主板设计的主流模式。
通过对小米5到小米10这五代产品的内部结构分析，对每一代的内部结构特点、连接方式、可拆解模块、发展方向做总结概括。可拆解模块拆解相关信息如表1所示。
2.2 华为系列手机结构拆解分析
华为系列手机选取近5年上市的P系列进行分析。华为P8后盖卡扣连接，L型主板，***2种规格16颗螺钉，可拆解为：后盖、电池、扬声器、保护垫片、降噪麦克风主板、耳机孔、呼吸灯、屏蔽罩1、充电插头、屏蔽罩2、后摄像头、前置、主板、SIM卡槽1、SIM卡槽2、边框及屏幕。华为P9充电口两侧另有2颗螺钉固定，边框与后盖一体化设计，密封胶连接，同时有卡扣连接。华为P10去掉主板保护盖板，加装元器件屏蔽罩，主板面积减小，集成度进一步提高。扬声器、振动马达用BTB连接器连接，两个摄像头集成为一个部件，用螺钉固定金属挡板保护。
华为P20加装主板保护盖与散热片，三层三段式结构。华为P30为三层三段式结构，密封胶连接后盖，摄像头盖板与后盖整合一体，加入潜望式镜头。主板双层设计，双层主板为摄像头提供空间，SIM卡槽移至下方尾板，感应器通过触点与主板相连。电池采用快拆口设计。华为P40为三层式设计，后盖为常规缓冲层和摄像保护，盖板集成闪光灯、测温传感器和激光对焦，3个摄像头使用1个防滚架固定，“斧头形”主板设计12颗M1.4螺钉固定，压缩电池空间，屏下指纹换用超薄模组，整机2种***19颗螺钉固定。
华为P系列手机主要采用三层三段式结构，主板有L形、匚形、 形、其中 形最多。主板盖板模块化零件增多。基于摄像头空间占位问题，采用双层主板设计，华为P系列手机相机保护措施良好，增加多个防滚架固定。
2.3 iPhone系列手机结构拆解分析
iPhone6充电口底部由2颗五角螺钉固定，拆解扭力0.15 kg?cm。iPhone系列整机双层式设计，后盖全金属包裹。主板元器件采用Y型螺钉固定屏蔽罩保护。听筒、前置摄像头、传感器等通过螺钉固定屏蔽罩安装在屏幕上，屏幕保护背板侧面12颗螺钉固定，背板上部两侧粘连固定，按键采用螺钉固定屏蔽罩保护，电池易拉胶固定。主板形状L形，在使用普通螺钉固定的同时有1颗六角螺钉固定。扬声器和副板在底部用螺钉及粘贴连接。扬声器出声孔位置防尘钢网嵌入边框，底部排线连接开机键以及闪光灯。iPhone6零部件可拆解为：屏幕、螺钉、听筒、Home键、散热片、前摄像头、电池、后摄像头、主板、尾插排线、连接器、卡托、振动器、扬声器、电源排线、音量排线、后盖。
iPhone7将排线从屏幕顶部改屏幕底部，屏幕右侧开启，左侧排线连接，摄像头2颗，1个防滚架固定，背面用泡沫粘合剂固定在背板上，取消物理按压Home键，改用压力传感器。iPhone8增加了无线充电线圈，利用粘胶贴在手机外壳底部，螺钉种类减少且通用。
iPhone X取消物理Home键，全面屏设计。屏幕模组集成环境光传感器、距离传感器、泛光感应器、扬声器听筒、前摄像头、红外传感器等。主板采用双层设计，叠加封装。两块电池L形串联设计，元器件内部采用防水胶密封。iPhone11采用单块矩形电池，SIM卡槽脱离主板，单独用螺钉固定，主板为I型双层主板，***15个BTB接口，扬声器通过触点与副板连接。整机***计27种，73颗螺钉。iPhone12采用L型双层主板，主板移到左侧，线性马达与扬声器体积减小，为主板提供更多空间。
综合六代iPhone手机分析，iPhone手机结构组件趋于稳定，模块化清晰，内部采用大量屏蔽罩固定，增加机身零部件可靠性，取消中框，有利于降低机身厚度与质量，但对装配工艺有较高的要求，也会增加拆解难度。
3 智能手机整体对比分析
3.1 拆解难度对比分析
iPhone系列手机和国内品牌手机相比，主要是采用两层式设计，边框与后盖一体化，拆解方向先从屏幕开始。iPhone手机内部整体采用大量螺钉固定屏蔽罩隔绝排线，每台iPhone大约70颗螺钉固定，主板主要为L型设计，采用线性马达。iPhone系列扬声器组件相比小米与华为系列较大，且单独设计。国产手机厂商主要采用一整块主板保护盖来保护排线，主流模式为三层三段式，拆解方向一般从后盖开始，国内厂商较多采用转子马达，扬声器集成于尾板盖板上，减少零部件数目，国产智能手机品牌大约有16至20颗螺钉固定。智能手机内部连接方式有螺钉、卡扣、胶粘、BTB连接器和RF连接器，其中螺钉连接数目最多，胶粘拆解时间最长需要热风枪加热。
表2为智能手机主要的内部连接类型以及拆解能耗对比与优缺点分析，主板面板主要有M1.0、M1.2、M1.4、M1.6四种螺钉型号，其中M1.4型号螺钉使用最多，其标准拆解扭力值为0.48 kg?cm。
手机内部连接方式主要为螺钉连接，螺钉连接直接决定拆解的难易程度。图1为三种品牌螺钉拆解时间对比图，螺钉拆解时间由3次人工拆解时间平均值计算得出，螺钉平均拆解时间为5s/个。X轴表示拆解手机型号，Y轴表示拆解时间。由图1可知，螺钉拆解时长基本随着手机代数的增长逐渐增加，因iPhone系列手机螺钉数目较多且型号种类较多，故iPhone系列螺钉拆解时长最高360s；远大于小米品牌最高105 s，小米系列螺钉拆解平均时长100s；略高于华为系列平均拆解时长90s。对于其他连接方式，卡扣连接的拆解时间为3s/个，胶粘连接拆解时间约为90s/个。BTB连接约为4s/个，RF射频线连接约为6s/个。
3.2 智能手机结构特点和易拆解设计建议
三种品牌智能手机在结构上存在一些差异，但具有相似的发展趋势，主要在于以下几点：
（1）功能丰富，多摄像头；
（2）逐步取消物理按键，全面屏设计；
（3）双层主板设计成为主流，主板占位逐步减少；
（4）密封越来越严，防尘防水性能好；
（5）集成度更好，模块化更清晰。
在智能手机结构功能多样性发展的进程中，又存在一些结构上的不足，增大拆解难度，主要有以下几点：
（1）国产手机主流三层式结构，更换屏幕需将整机完全拆解，拆解维修麻烦，建议发展双层式结构。
（2）部分主板形状不规则，形状突变处在手机跌落过程中会引起较大应力集中，增加主板折断风险。建议减少形状过大突变，或增加缓冲层保护。
（3）近年有些厂商推出升降摄像头，但升降摄像头故障率较高，降低防尘能力，机械结构会占据内部空间，压缩主板体积，导致散热不良。
（4）模块化与集成度不够，如多个摄像头用多个BTB连接器连接，可整合为一个接口多个摄像头结构，无线充电可与后盖整合，避免零部件数量激增。
（5）过度压缩主板面积，如小米系列部分主板采用BGA技术叠加封装，导致CPU散热不良，同时跌落过程中容易发生脱焊现象，应加焊脚固定。
4 结论
（1）国产手机品牌主要采用三层三段式结构，iPhone系列采用双层两栏式，三层三段式内部屏蔽罩少，但拆解能耗高，拆解时间短，机身较厚；双层两栏式需要加多个屏蔽罩保护，拆解能耗低，拆解时间长，机身相对较薄。
（2）智能手机发展趋势上连接越来越牢固，密封性更好，螺钉、胶粘连接逐渐增加，卡扣连接逐渐减少，趋势上拆解难度逐渐增大。
（3）iPhone系列连接紧密，零部件较多，螺钉种类复杂，多个屏蔽罩保护，拆解难度最大。华为系列模块化设计最好，层次分明，小米系列散热系统较好，增加大量散热零部件。三种品牌整体拆解难度上iPhone远大于小米，小米系列手机略大于华为系列手机。
参考文献
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（责任编辑：张蕊）