解密华为Mate X2折叠屏手机水滴铰链:没有退路 就是胜利之路
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解密华为Mate X2折叠屏手机水滴铰链:没有退路 就是胜利之路

2021年10月13日 10:29:11
来源:蓝血研究

作者:笑哥

来源:蓝血研究(lanxueyanjiu)、华为人

2021年2月22日,华为发布了第三代折叠手机产品Mate X2,而我是这款产品的架构师。因为参与的是保密项目,所以周围的亲朋好友没人知道我那段时间在做什么。Mate X2发布后,以前的老同学来上海聚餐,席间我特意拿出了Mate X2,大家看了都抢着挨个把玩,赞不绝口,我心里的成就感顿时油然而生。

如果要我说Mate X2的项目中最令我难忘的是什么,我一定会说是它的水滴转轴。Mate X2采用了业界独有的水滴型转轴架构,即在手机屏幕弯折处形成一个水滴式的容屏空间,柔软的屏幕以“水滴”的形状收纳在手机内部的转轴夹角内。这看似简单的设计却暗藏复杂又精密的力学工程要求,在此之前,业界诸多友商都曾尝试过使用水滴形态来制作内折叠机,却因种种技术限制未能实现。

而我们也是走了很长的路,才将这份接近完美的答卷送到用户面前。

01 这座珠穆朗玛峰,我们攀不攀?

其实早在2017年,整个团队开始做折叠形态手机预研时,我们就已经开始考虑,如果是一个内折叠手机,如何实现整个手机折叠后严丝合缝,展开后屏幕平整。

业界公认折叠手机最重要的就是两个部分,柔性屏幕和转轴。

柔性屏幕,顾名思义,就是区别于传统手机使用的OLED刚性屏幕,采用了具有低厚度、高柔韧度、高硬度、耐高温及高透光等特性的高分子薄膜作为手机屏幕基板和封装材料(刚性OLED主要使用玻璃),能够达到大曲度甚至可折叠的效果。

而转轴是手机能否实现折叠至关重要的一部分,它支撑着手机折叠部位两块面板,在自然状态下将两个平面折叠,由于弯曲半径不同,外平面会长于内平面,而折叠机要求折叠后两个平面长度保持平整,这就需要转轴能够根据折叠的角度做伸缩配合。

对于内折叠手机来说,业界公认的转轴形态有三种——“U型”、“球棒型”和“水滴型”。“U型”和“球棒型”是业界普遍采用的两种形态。

“U型”,顾名思义,就是手机在折叠起来之后如同字母“U”一般。这种形态最大的优势是简单所以容易实现,弯折可靠性好,但内部空间浪费会很多,最终导致手机可能特别厚重,在手机越做越薄的今天,这显然是无法令人接受的。

U型

U型

而“球棒型”是在“U型”的基础上做了优化,远端薄,折叠部分稍厚。因为解决了一部分手机厚度的问题,因此这是业界最常使用的手机形态。

球棒型

球棒型

而“水滴”形态,毫不夸张地说,它是折叠屏领域的一座“珠穆朗玛峰”。水滴形态可能是内折叠手机目前追求的终极形态,它既能够保证手机在折叠后实现天衣无缝,又能保证最小化的弯折痕迹,让展开后的屏幕更加平整顺滑。无论从实用角度还是外观角度,都能够带给用户极致体验。

数年间,许多业内厂商都在攀登这座珠穆朗玛峰。

我们常用的柔性显示屏幕厚度仅为0.73mm,但是却有40多层,可以归纳到11个功能叠层,每个叠层只有几到几十微米的厚度。想象一下,当你把几张A4纸叠在一起后折起来,层与层之间肯定会有位移,所以11层柔性屏叠加,会导致屏幕分层而引发一系列诸如黑斑、亮点等问题。而且,如果要实现水滴型弯折,柔性屏幕要进行一次内折,两次外折。内折时,内侧受到挤压;外折时,内侧却变成了外侧需要拉伸。因此屏幕的不同层既要能被挤压,又要能被拉伸,并且承受上万次的弯折运动考验,真的是要“能屈能伸”,更是难上加难!

这座珠穆朗玛峰,我们攀不攀?

摆在我们面前的问题如此棘手和明确。但大家一致认为,如果只是跟随着业界的脚步选择球棒型架构,是无法做出真正意义上的甩对手一条街的产品的。要做就要做到极致。

因此,这座令无数人铩羽而归的珠穆朗玛峰,我们攀定了!

02 业界TOP级屏幕供应商劝我们放弃

从来没有厂家在此之前研发过水滴形态屏幕的折叠机,我们决定与业内一些TOP级别的屏幕供应商进行沟通,期望能够从他们身上找到答案。

2019年3月,产品线折叠机SPDT经理带队,我们揣着水滴架构的方案去拜访了业界TOP屏幕供应商,希望能从专业屏幕团队这里找到满足我们要求的柔性屏幕。

可是,没有想到的是,供应商都觉得把屏幕弯折成水滴,屏幕内部的受力情况太复杂了,无法实现批量生产。即便能批量生产,供应商投建屏幕生产线,要有上亿资金的投入,而因为我们手机生产都要求十几万次弯折后,屏幕的可靠性仍旧能达到100%,因为生产工艺的欠缺,供应商都不愿意承担这么大的风险。最令我们信心受挫的是,合作厂商认为水滴依靠现有的技术还无法实现,如果硬要朝这个方向去做,会承担巨大风险,直言让我们放弃。

不甘心的情绪写在团队中每个人的脸上,当时一个想法浮现在我的脑海——认定了的方向在没有尽到全力之前如何能放弃?业界没有相关案例,我们就去突破这个点,我们自己干!

03 仿真带来的曙光

在我们和业界沟通讨论的过程中,屏幕团队的同事们一直在做屏幕预研,主要是验证屏幕各叠层设计方案。在早期进行水滴型屏幕弯折测试时,模组全部裂开,与以往经验预期相反却分析不出什么规律,这可把项目组急坏了。

项目组需要依据修改方案做许多样品不断测试验证,找到问题根因才能得到最优设计方案。但是如果让屏幕供应商根据我们的修改方案做样品,打一次样的时间就需要一到两个月,验证周期会非常长。同时,样品组装成手机不断进行破坏性测试的费用也不菲,令人心疼。屏幕和屏幕仿真的同事下定了决心,一定要将动态弯折过程中屏幕每一层是怎么受力的给摸透了。

兄弟们把屏幕像千层蛋糕一样切开,与供应商一起核对并剖析每一层的材料,建立材料参数库。这些参数库就像是一个个高阶方程,当输入受力情况后,就能精确计算出每个部位的详细受力情况。在每一层的力学分析中,通过力学中性层理论(物体弯曲时外侧拉伸,内侧压缩,但必然中间有一层既不压缩又不拉伸)原则指导,制定了屏幕各层的优化方案,把容易形变的材料放到外层或内层,不容易形变的材料尽量靠近中性层放置。

经过好几个月的时间,屏幕的兄弟们利用仿真设计出了我们认为的最优方案并开始安排打样。在等待样品和测试结果的这段时间内,大家都很焦灼。

好在最终屏幕样品的测试结果出来了,屏幕在仿真下能够做到几万次弯折。有了开始,之后仿真不停按照我们调整的数据更改验证模型,十万、十几万,弯折次数不停增加,最后终于满足了弯折测试考验,水滴型屏幕可实现性得到了验证。

这个结果给所有项目组同事打了一剂“强心针”,水滴这条路,可行!

04 我们无路可退,只能迎难而上

有了可弯折十几万次的水滴型柔性屏幕的仿真结果,我们信心满满,怀着“人无我有”的热情投入接下来的整机研发中,但一个接着一个的困难让我们感受到了现实的骨感。

首先我们发现折叠开合时手机内部会有奇怪的“咔咔”声,像是什么东西之间在摩擦;接着是手机在长时间闭合后没法展平到180度了,变成了一个“驼背”;还有手机展开过程中的手感是软绵绵的,不像首饰盒打开时有种干净利落的感觉 ;最后,在做高温环境测试时又出现了屏幕中间有黑线和黑斑,而且是开合几次就出现……

这些是综合性的难题,涉及屏幕、转轴等各个部件综合因素叠加。面对这一堆问题,大家一开始的感觉是无从下手。项目到了当前阶段,进度的压力越来越大,物料备料的时间点也日渐逼近。时间不等人,但是面对问题又不能乱了阵脚,我们只能先静下心来逐步分析定位,找到几个失效问题的根因和相互之间的关联。

项目组连夜投入了分析,找到不同测试时期的样机和最新的失效样机同步进行对比分析。那些日子里,我们连着好几次在实验室分析到凌晨。

我们首先通过手工加工样机找到了快速激发失效现象的分析手段,然后利用显微镜放大微小的局部,分析不同条件下屏幕各个叠层和整机之间在不同状态下的相对位置关系。面对海量的测量工作量和数据,项目组几个人相互配合,看到眼花缭乱,最终定位到了这几个失效问题的共同根因——屏幕与转轴之间出现细微的位移导致各种失效问题。柔软的屏与坚硬的转轴之间的结合,要做好刚柔并济并不容易。

拿到所有分析数据后,解决方案也基本成形了,需要在生产流程中新增一道加工工序。但当前项目已经在试产阶段了,在这个节骨眼儿上对生产线加设备,调整当前的生产流程,既要验证新方案是否能彻底解决这些质量和体验问题,又要节省成本,并确保对生产流程的影响降到最小,项目组顿时陷入了两难。

记得那天已经很晚了,实验室、产线、供应商驻厂同事全都参加了讨论,讨论实验方案,并安排样品打样、产线加工、实验室摸底验证等一连串的工作。

在等待样品打样的过程中,每个人的心都无比忐忑的,但是又充满了希望。当放入高温高湿设备的样机满了24小时,大家都聚到实验室,守在测试设备前,等着开箱看效果。我等不及样机完全冷却,轻轻展开样机,悬着的心一下放下来了——样机打开手感很好,叠层位移现象改善十分明显。

我们抽了几台样机测量位移数据,也很好地证明了新措施的有效性。后面几天,测试结果陆续出来了,问题从根本上得到了很好的解决。而且这一个方案,一下同步解决了这几个大问题!虽然后面还有一些小的问题,但是这几个重大问题的解决,让我们一点点地靠近了胜利。

在整个过程中,我们每个人都顶着很大的压力,因为每一个小细节不解决,影响的是那几万、十几万台手机,以及使用手机的消费者。我们的想法是做不好,这个产品就不能给到用户手里。因此我们无路可退,只能迎难而上。

05 真正的放松

2020年12月,Mate X2正式转量产。但项目组却仍旧没有放松,产线大量生产将会是对我们最后一道考验。我和项目组同事经常在产线呆着,随时分析和解决产线制造过程中发现的问题。

量产逐步顺利后,2021年2月22日,Mate X2如期上市,我们连日的努力终于有了成果。有一天,项目组同事们一同在产线附近餐厅聚餐,坐上餐桌后,看着一起奋战22个月的兄弟们围坐一起,我们才像是真正舒了一口气。真的成功了!我们都有些激动,不顾餐厅周围人的目光,激动地碰杯:“祝Mate X2大卖!”隔壁桌居然同时也传来了掌声,原来是华为其他部门的同事,得知我们是搞Mate X2项目的,也为我们共同喝彩。

在攻关过程中,当我们遇到难题无法解决的时候,SPDT经理老李曾对我说:“我们做技术的,碰到技术难题,不应该想着被动接受。碰到难题,应该心里很兴奋,只有解决了一个个难题,我们的能力才能得到不断提升,产品带给用户的体验才能得到提升……我们愿意花时间把产品体验和质量做到最好。”我想,这就是我们一直以来奉行的理念吧!

对我们而言,攻坚“水滴”的五年是漫长的五年,又是转瞬即逝的五年。回首整个过程,无不充满着苦苦探索与百折不挠的尝试。在这个过程中,我们从未想过背后是否会有退路,只是朝着一个目标努力前进,心中想着的是捍卫华为手机质量与体验的尊严,牵引着我们的是精益求精的精神。未来我们将不断创新,将更多处于世界前沿的技术带给消费者。