産品防水結構設計
随着用戶體驗要求不斷的提升，手持電子産品對于設計的要求也越來越高，從早期的隻要能開機，能用就能賣，到現在對外觀的美感，人機工程，制造的精度，以及各種測試要求越來越高。
尤其是去年的iphone 7上市，将三防這個概念推上大衆，之前也就特殊行業才會用到的設計要求，現在卻成了手機行業的标配。
畢竟對于我們日常生活中來說，手機已經是不可離手，必不可少的工具了。走到哪裡都會攜帶的物品，在行走中難免會有一些意外，造成磕磕碰碰。
畢竟我們上WC也要刷刷朋友圈的，看看新聞，是吧，萬一一不小心将手機掉進茅坑了，又舍不得扔掉，總的撈起來，洗一洗，再用吧。為了延長手機的使用壽命，就得防水防塵什麼的，所以後續手機具備三防功能，再也不會是什麼稀奇的黑科技了。
接下來我們根據三防手機案列來分享一下，防水結構設計如何去玩。
文章很長，建議先收藏，或者轉發朋友圈，再閱讀。
以下為正文：
【一】
什麼是三防手機呢？
所謂三防手機，就是具有輕微防塵、防震、防水和出色的抗摔、抗輾壓性功能的手機 ,主要針對熱愛戶外運動的年輕用戶或有特殊需要的專業用戶，能夠勝任異常惡劣的氣候條件和特殊場合的應用。
一般，市面上的三防手機目前主要有兩大類：
1，普通三防手機
屬于生活輕微防水，比如洗手時，防止水花漸入到手機内部，造成功能性損壞，隻能實現輕微的三防，這種手機一般造型時尚，與市面上的普通手機沒有明顯差異，屬于IP54以下。
2，專業三防手機
屬于能夠承受一定水壓，外部擠壓，能夠放入水裡浸泡和汽車碾壓，比如手機從1層高的樓層直接掉落不會造成功能性損壞，或者将手機掉入1米深的水池裡，30分鐘不會造成功能性損壞。它的目标受衆是專業的戶外登山涉水等探險運動的愛好者，也有一部分喜歡軍事的人因為其獨特的造型和強悍的體質而對其情有獨鐘。
【二】
什麼是三防IP防護等級？
它是由IEC所起草，将電器依其防塵防濕氣之特性加以分級，由兩個數字所組成，第1個數字表示離塵、防止外物侵入的等級，第2個數字表示防濕氣、防水侵入的密閉程度。數字越大表示其防護等級越高。
可見下表：
第一個标示特性号碼（數字）所指的防護程度
第二個标示特性号碼（數字）所指的防護程度
例如，防護等級IP57，IP為标記字母，數字5為第一标記數字，代表手機雖然不能完全防止灰塵侵入，但灰塵的侵入量不會影響手機的正常工作，7為第二标記數字，代表手機可以浸在水中一定時間或水壓在一定的标準以下，可确保不因浸水而造成損壞。
【三】
防水材料有哪些？
1，TIS納米塗層
納米塗層的原理如同在荷葉的構造，荷葉的表面上布滿非常多微小的乳突，乳突的平均大小約為6-8微米，平均高度約為11-13微米，平均間距約19-21微米。
在這些微小乳突之中還分布有一些較大的乳突，平均大小約為53-57微米，它們也是由6-13微米大小的微型突起聚在一起構成。乳突的頂端均呈扁平狀且中央略微凹陷。這種乳突結構用肉眼以及普通顯微鏡是很難察覺的，通常被稱作多重納米和微米級的超微結構。這些大大小小的乳突和突起在荷葉表面上猶如一個挨一個隆起的“小山包”，“小山包”之間的凹陷部分充滿空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，隻有納米級厚的空氣層。
水滴最小直徑為1-2毫米（1毫米=1000微米），這相比荷葉表面上的乳突要大得多，因此雨水落到葉面上後，隔着一層極薄的空氣，隻能同葉面上“小山包”的頂端形成幾個點的接觸，從而不能浸潤到荷葉表面上。
塗層厚度對比，左側為沒有塗層，右側為TIS納米塗層。
納米塗層的加工方式一般以：全身浸泡，刷塗，淋塗，噴塗等方式。
批量生産時主要以浸泡方式加工，大約3-5秒鐘左右，即可取出晾幹，5-10分鐘即可全部晾幹，對于大批量量産來說，還是具備很強的競争優勢。
2，三防漆類
三防漆也叫線路闆保護油、披覆油、防水膠、絕緣漆、防潮漆，三防漆類産品普遍比較厚，基本上塗層厚度會達到50微米，散熱不好，粘稠度高，一公斤産出比較低，幹燥慢，甚至要一兩小時才能幹，三防漆是在電子産品pcb闆上塗覆固化一層膠膜，用于電路闆防潮、防腐蝕、防鹽霧，但這層膜隻能防護潮氣和少量的水份。
如果電子産品完全浸入水中工作它就會失效，那麼就是三防漆自身工藝原因。因此不抗摔、不抗振動，受外力沖擊容易剝落，對pcb闆的防護作用非常有限，用肉眼直接觀察很難看出來是否塗覆均勻。
目前很多三防漆依然使用揮發性溶劑，對人體與環境有很大傷害，這對于一些産品要出口歐美的制造企業來說環保不能達标。
3，灌封防水膠
灌封方式防水目前常見的是采用環氧樹脂灌封膠，是用于電子産品模組的灌封，可以将整個pcb闆包裹其中，從而起到防水、防潮、防鹽霧、防黴菌、抗震、抗外力沖擊等。
環氧樹脂是飽和性樹脂，以其為基材生産的環氧樹脂灌封膠具有本體強度高、粘接力強、耐候性好、收縮率低、絕緣強度高、無毒環保等特性，灌封後能在-45-120℃間穩定的機械和電氣性能。能對電路闆全方位保護，極大提高電路闆的使用壽命。但同時也存在一些比較緻命的問題，比如pcb闆的散熱将會非常受影響，最麻煩的是産品幾乎沒有返修的可能，或者說返修成本過高。
4，可壓縮軟膠類
軟膠防水圈有：橡膠，矽膠，TPU,TPE,PVC等，材料不同，最低硬度等級也不同，通常用在主體殼件防水用。
以O形橡膠，矽膠防水圈最為常用，有很多标準件，通常用在開關閥門上，或者防水設備上。目前電子産品也常用，不過都屬于根據結構形态進行定制。
以下為O形橡膠圈幾種材料特性比較圖以供參考:
以下為材料硬度表以供參考:
密封性結構防水圈的硬度一般在30-55度之間。
以下為材料特性表以供參考：
5，防水輔料類
防水輔料以防水雙面膠，防水泡棉，防水膜等為主，手機TP粘貼有用到防水雙面膠，比如3M5220，由于成本關系，現在很多廠商都采用點熱膠工藝密封，另外如喇叭，麥口，有用到防水泡棉 防水透氣膜的方式，即可防水，也可透氣，還可以調節内部氣壓。
【四】
三防手機結構設計案列分享
一、主體殼料設計
1、上下殼主體殼料厚度設計要求
（1）上下殼硬膠大面膠厚需設計保證2.0mm以上，局部可做0.8mm。如果做雙色注塑外殼，則軟膠部分膠厚設計1.2mm以上，局部可0.8mm，内部加強筋設計厚度為0.8-1.0mm。
（2）電池蓋/SIM卡蓋，膠厚需設計2.0mm以上，局部可做0.8mm，如做雙色，軟膠部分膠厚設計1.2mm以上，局部可做0.8mm，内部加強筋設計厚度為0.8-1.0mm。
2，主體殼料防水、固定方式
（1）上下殼通常打螺絲固定，螺絲之間的距離約35mm為佳，兩殼之間常用正壓橡膠圈防水（如下圖），防水圈尺寸設計為：W1.5mm/H1mm，硬度在45度左右，與下殼配合的面做幹涉凸台設計，凸台尺寸為：W0.5mm/H0.3mm、即過盈0.3mm。
特殊情況下（兩側空間較少）也可用側壓防水。見下圖：3、電池蓋/SIM卡蓋防水、固定方式
（1）電池蓋固定方式為一端卡扣，另一端鎖螺絲固定，見下圖：
防水圈多用側壓橡膠圈的方式，做直徑1.5mm橡膠圈固定于電池蓋側面槽内，與電池倉四周骨位過盈0.2mm。見下圖：
（2）SIM卡蓋固定方式為一端卡扣，另一端鎖螺絲固定，防水方式以正壓橡膠圈為佳，橡膠圈寬度做2.0mm以上，以便有足夠面積貼背膠與硬膠殼蓋，與底殼防水面需做凸台，設計尺寸為：W0.5mm/H0.2mm、即過盈0.2MM。見下圖：
（3）底殼電池蓋卡扣處的防水，如果是直接走前模行位的則不需要另外做防水結構,見下圖：
（4）如果電池蓋卡扣是做插穿結構則需加PVC片打膠防水.見下圖：
二、側按鍵防水結構
1、設計成橡膠防水件，防水配合部位單邊過盈0.15-0.3左右，根據樣品出來測試後再做微調整。見下圖：
此種方式較為常用，适合按鍵外裝，裝配順序見下圖1，2，3步驟：
2、設計成橡膠 五金防水件，采用粘貼方式貼合，五金材料一般采用0.3厚度的不鏽鋼，硬度為3/4H，這樣才能保證按鍵的平整度，見下圖：
按鍵裝配順序見下圖1，2，3步驟：
3，殼料做雙色的情況下，鍵帽可直接與外部軟膠件做成一體，此種方式裝配方便，防水性好，缺點是手感偏硬，見下圖：
按鍵的内部還需要設計一件軟件材料當做按壓支架，否則長度太長，模具不好處理，見下圖：
三、I/O口防水結構
1、USB接口防水結構
（1）自帶防水的USB母頭，見下圖：
USB直接與殼料配合防水，鎖好螺絲，防水性較普通的USB母頭可靠，見下圖：
（2）普通USB母頭，USB母頭不具防水功能，見下圖：
需利用外塞與殼料配合做防水結構，來實現防水功能，見下圖：
2、耳機座防水結構
（1）自帶防水功能的耳機座，見下圖：
耳機座直接與殼料配合防水，防水性較普通的耳機座可靠，見下圖：
（2）普通耳機座，見下圖：
耳機座本體不具防水功能，需利用外塞與殼料配合做防水結構，來實現防水功能，見下圖：
四、TP/前後攝像頭鏡片防水結構
1、TP兩側貼膠面需保證2.5mm以上的寬度貼防水雙面膠，雙面膠厚度0.25mm,目前有0.1mm厚的防水雙面膠，沒測過，不知道效果怎麼樣，見下圖：
2、前/後攝像頭鏡片防水雙面膠設計需要單邊2.0mm以上的寬度，厚度為0.25mm，見下圖：
3、閃光燈鏡片防水，直接在硬膠上面設計寬度0.5mm防水圈，與雙色注塑的軟膠配合，單邊過盈0.1mm，如果沒有軟膠配合，則需要設計防水圈，或者點膠的方式防水，見下圖：
五、螺絲塞防水結構
螺絲塞直接采用70度軟膠材料，單邊過盈0.1-0.25配合防水，見下圖：
六、喇叭/聽筒/mic防水結構
喇叭防水一般有兩種；一種是貼防水膜，殼體需留2.5mm背膠寬度，防水膜在粘貼在泡棉的一側，總厚度采用0.8mm左右，見下圖：
另一種是側面周圈打膠密封，需要留0.5以上的點膠空間，見下圖：
【結語】
1，防水結構方式的選擇需根據産品定義，産品外形去做選擇，如果定義為IP54，則無需采用IP68的結構方式去設計，不同的防水等級，所産生的結構材料不同，強度空間不同。
2，如果防水等級高，防水是否成功，需要不斷的測試，有時産品裝配好後，剛開始測試，可能通過了，但是經過高低溫測試，跌落測試，水壓測試等後，有可能就不防水了，所以需要不斷調整才能達到最完美的效果。
3，高防水機内部一般都會采用調整氣壓的元件，如果沒有，則必須要設計貼透氣膜的出氣孔，防止氣壓不同産生産品開裂問題。
4，以上所有結構設計數據，僅供參考，不可當做設計标準，不同的産品定義與外觀，造就的結構方式不同，設計參數也不同。
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