超輕薄機構與散熱技術 兼具薄化要求與材料成本的Ultrabook機構設計方案

前言：
Ultrabook可以說是筆電產業近來最熱門的話題，隨著Apple推出的MacBook Air在市場獲得好評，加上為避免常規筆電落入流血價格競爭，多數筆電業者也開始嘗試推出媲美MacBook Air輕薄取向的Ultrabook產品，但為了要達到輕與薄設計要求，自然在元件選用、機構設計、連接器各方面的成本都會劇增，如何在成本與產品設計目標取得平衡，已是Ultrabook的成功關鍵...

本文：
Ultrabook的設計概念並不新，在常規筆電市場也有號稱輕、薄的設計產品，而當Apple MacBook Air推出後，為輕薄設計的筆電建立新的規格標竿，而Intel為了其處理器、晶片組方案推廣而順勢祭出Ultrabook概念產品，明確將設計定位具體量化成13吋以下需低於1.8cm、13吋以上產品厚度需低於2.0cm，雖然Ultrabook概念與現有的常規筆電沒多大差異，但因為設計要求的改變，為因應薄型化設計勢必導入更新穎的元件配置、機構設計與產品架構方法。

在以往的筆電產品，雖然不乏有號稱輕薄的設計款式，但實際的產品在機構厚度上一直無法獲得有效壓縮，其最大的門檻在於處理器、晶片組有一定程度的功耗表現，元件運行所產生的熱能除需要藉由散熱片、熱導管來加速散熱，高效能的產品還需要借助主動散熱設計(風扇)來強化元件散熱，而機殼機構也必須預留更多熱對流空間，讓筆電的熱處理效率更為提高。

常規筆電元件限制多　尋求薄化設計方案

除了關鍵的處理晶片、晶片組的散熱要求外，常規筆電的輕薄設計限制在於，為了控制料件成本，開發產品需儘可能選用制式工業標準元件或常規元件，尤其是連接器和元件插座、接腳，元件都有一定的厚度或體積，此外，選用超薄的特規元件，在產線進行載板打件時也容易出現損壞，造成Rework成本增加，種種的因素加總導致超薄產品可能效能表現不怎麼樣，產品售價卻缺乏競爭力的現實狀況。

此外，Intel提出的Ultrabook參考設計，主要是提供處理器、晶片組與功能載板的設計方案，同時架構了筆電薄化的幾個設計組態與方向，而業者若要開發品牌產品，則必須在產品的差異化與降低生產、料件成本的能力上再積極進行產品開發，本文將就Ultrabook必須面對的機構、顯示器、PCB、CPU與chip set、Memory、Storage等構成Ultrabook的基本元素一一討論薄化設計關鍵。

Ultrabook薄化的關鍵之一就是機構設計，機構的設計關鍵在於所使用的原料是什麼，已目前常規筆電應用的塑料外殼來說，塑料的材質不同也會造成強度差異，雖然塑料是相對便宜的質材，也可採射出成型大量生產以降低成本，但塑料畢竟具彈性、質材特性較軟，若採薄化設計會造成殼內的結構構件可強化的設計彈性少許多，很可能射出成型的料件機構會因為強度不高，當外殼受力產生撓曲時讓內部的PCB或料件出現錫裂問題。

機殼設計材質影響薄化設計效益與成本

目前常規筆電會把產品的結構與外殼分成A、B、C、D件來區隔，上蓋A件重點在保護液晶顯示器、面板、背光元件不致於因受壓應力向內壓擠，顯示器框架B件必須能把面板模組嵌住固定，同時強化A件的強度，鍵盤上蓋C件必須能強化整體機殼的強度，至於底部下蓋D件，必須具高耐熱度，同時因應散熱切削的開口不應影響D減整體強度。

以Apple MacBook Air的設計方案來看，MacBook Air使用的unibody，採大量的金屬CNC車？銑處理加工鋁合金，由於機殼為採整塊鋁材車？銑處理，具金屬的扎實強度與易於散熱、導熱特性，又可避免灌注模具或金屬粉末射出機構，可避免材料可能因為結構問題產生的強度影響，但MacBook Air的設計方案成本過高，並未能被大多數的筆電業者採行，發展Ultrabook必須思考更合宜的構件製作方案。

這在以前常規設計中，射出成型的塑料構件，可以利用增加厚度、追加結構體，甚至在塑料內摻入強化表面強度的特殊粉末(石墨粉或金屬粉末)，達到如增加散熱效果、增強硬度等目的，而目前也有採取射出件再搭配冶金電鍍的表面處理，來讓速料件具接近金屬件的質感與強度，但不同的材料與功法也會影響產製成本，而最新的料件處理是採金屬表面奈米噴鍍，因為塑料構件在奈米噴鍍於塑料表面的金屬鍍層結構，較一般金屬噴鍍構緊密，在射出件材料的硬度表現也會相對較高，自然可以減少射出件的結構設計或是採取更薄化的設計方案。

除塑料選擇外，Intel也提出成本更低廉的變通方案，例如，在塑料內摻入玻璃纖維，或是採金屬件，但金屬為採沖壓成型方式製作，而實際上沖壓工法的成本會較CNC車？銑處理加工鋁合金生產效率更高、成本更低，甚至選擇兼具輕量化、高導熱、高強度的碳纖維機構件，來因應輕薄設計要求。

Open Cell製作方案成Ultrabook薄化設計主流

常規筆電設計案例中，為了令外殼構件的A/B件做得更薄，已經出現將厚度較大的CCFL背光模組設計，改採LED背光設計，但LED不管是直下式還是側面光Bar的設計方案，仍有一定程度的厚度與物理限制，在Ultrabook的設計方案中較常見的是採取如MacBook Air的Open Cell製程，而Open Cell製作方案直接將背光模組薄化、同時與機殼構件A件進行整合，產品產製時在產線中來進行背光模組與面板的貼合組裝，由於Open Cell製做工法少了面板模組的構件材料，因此可以較常規筆電的設計方案更具薄化設計優勢。

而Open Cell製做工法雖然沒什麼特殊處，但為了讓顯示屏、外殼更具薄化優勢，等於要令Ultrabook筆電的產線必須把顯示屏、A蓋、B蓋組裝部分由顯示器模組廠商經手組合，來實現超薄的顯示面板組合，但這會造成製造程序變更與增加料件轉送、加工成本，必須進一步將產線重新調整，才能達到壓縮成本的目標。

利用HDI高密度電路板縮小載板面積

Ultrabook的薄化設計，必須儘可能縮小內裝的元件、載板，其中，載板的縮小化設計則具關鍵地位，因為PCB載板縮小，可以令機殼內可以置入更多結構構件，或是塞進更多電池芯，讓產品的輕薄設計更具優勢。但實際上在開發設計前段，把傳統常規筆電的載板縮小，是必須採行HDI(High Density Interconnect)載板，利用多層化載板堆疊將整片電路板縮小置原有載板的1/2~1/4。

但問題來了，HDI載板的成本較高，以往多用於智慧型手機、平板電腦，在筆電使用會增加不少製造成本，而多數發展Ultrabook的業者產品產量或許不會如智慧型手機這麼大量，HDI元件較難因為量大而取得較高的量、價均攤效果。

針對Ultrabook筆電薄化規格需求，機內空間的高度縮減，亦可由關鍵元件的高度縮減來進行改善，常規筆電的處理器因應不同規格、效能要求機型不同，常規筆電必須採能更換處理器設計，才能因應動態的出貨需求。但常規筆電的設計方案，會讓機構高度需預留處理器的厚度、處理器底座高度等厚度限制，在Ultrabook筆電設計方案中，相關的處理器、晶片解決方案，大多取消針狀接腳與連接器，晶片採用球形錫球方式，讓晶片直接焊接於載板的處理器接點上，減省連接器使用，同時可大幅壓縮機構高度的設計需求。

採行小型化關鍵元件　因應Ultrabook薄化要求

除了處理器應用外，Ultrabook筆電載板的各式晶片也朝向改採Small Form Factor(SFF)小型化封裝設計方向，如南？北橋晶片的整合與小型化封裝設計，同時捨棄獨立封裝的GPU元件，因應Ultrabook筆電小型化設計目標，CPU、晶片組、顯示晶片也會朝持續整合方向，減少這類大面積佔位零件面積，採行如SoC IC製作方案將多晶片進行整合，除可達到簡化載板設計，也可使用極小的元件佔位面積達到常規筆電的效能水準。

除佔位面積的持續壓縮外，晶片的運行功耗，也會造成設計方案使用面積或是額外熱處理的成本問題。例如，常規筆電的晶片功耗約為35W上下，因應Ultrabook開發需求，目前產品功耗僅17W上下，未來還會有15W甚至11W超低功耗設計，讓開發產品時可以不用投入過多成本處理元件發熱問題，進一步為極致的薄化設計爭取更多有利的開發條件。

與處理器的薄化設計關鍵一樣，Ultrabook的記憶體設計薄化設計關鍵，也是採取去除記憶體連接器的形式，來爭取更寬裕的垂直向機構空間彈性。例如，目前主流Ultrabook的記憶體設計方案，不再使用記憶體模組搭配連接器的設計方案，而是使用直接將記憶體於系統載板焊接連接使用，雖然採行焊接元件型態將記憶體與系統載板整合失去了自行升級、更換的彈性，但換得減省記憶體連接器，同時減省記憶體模組pcb的厚度。

記憶體與儲存媒體均需考量薄化設計目標

Ultrabook採行記憶體元件直接焊接於系統載板的設計方案，好處還真的不少，一來記憶體採焊接連接資料傳輸更穩，記憶體的元件規格在產線即進行最佳化整合，記憶體與系統可以達到最好的適配與相容度，而on board的設計方案還可進一步進行電源管理的最佳化設計條件，例如，選用1.25v的DDR3U或1.2v的LPDDR2，達到更優異的省電表現。

至於一般筆電的儲存裝置問題，以Apple MacBook Air的歷代規格發展觀察，Apple曾經使用過1.8吋微型硬碟、1.8吋固態硬碟(SSD)，而目前主流新款MacBook Air全面採行SSD，也是利用mSATA介面載板設計的SSD元件。而採取mSATA介面以擴充卡型態設計方案的目的，一般認為，利用擴充卡設計方式可以利於因應不同規格產品的出貨需求。

另外，SSD的元件數量在MLC記憶體顆粒數量較多，顆粒的控制晶片也必須進行最佳化調校，若採取直接於系統載板焊接使用，可能會造成往後SSD RMA的成本，同時大量顆粒元件打件也不利於用戶更換、升級，因此移除連接器的薄化作法並未擴及SSD的設計方案，但至少原先的1.8吋設計型態改成mSATA載板的SSD擴充卡設計方案，已經為元件高度達到至少2/3的設計減省。

有趣的是，由於基於WinTel架構的Ultrabook產品，仍須面對殘酷、嚴厲的市場價格競爭，在儲存裝置的設計方案中，也有業者採取延續常規筆電的硬碟機設計方案，來架構Ultrabook的儲存媒體設置。例如，Acer Aspire S3就提供SSD、HDD共存的設計方案，利用一般容量的SSD裝載系統碟來達到系統效能提升目的，高度性？價比的HDD來滿足用戶的大量儲存需求。

應用易於塑型、薄化的鋰聚合物電池

至於Ultrabook的電力設計方案，也比照競爭對手MacBook Air採超過6小時電力的要求下，同時又必須維持極度薄化的設計構型，為達到此設計目的，具較高性？價比常規筆電常用的圓柱型鋰離子電池(Li-ion)，就無法用於Ultrabook設計方案，尤其是常規筆電最常使用的18650電池，根本在厚度上就達不到Ultrabook的基本要求。

Ultrabook勢必需採型平整型態的鋰聚合物電池(Li-Polymer)，但鋰聚合物電池在成本上顯得相對較高，而電池的單位能量與鋰離子電池相當，而元件特色在於電解液並非液態，而是以果凍型態的材質，因為流動性相當低所以電池不需如同鋰離子電池需採鋼罐封裝，電池內的質材僅需鋁箔包覆即能避免電解液外流問題。

如此可以更加確認，鋰聚合物電池更適合Ultrabook使用，因為材質特性令電池重量更輕盈(不需使用鋼罐封裝)，電池本身可採薄化平整塑型設計，甚至配合機殼設計的閒置空間塑型製作。但鋰聚合物電池並非僅有優點，其實這種材料還有部分缺點，如壽命較短、價格較高都是材質限制。

而在Ultrabook的薄化要求下，在有限的機構空間如何做好熱處理設計，也是一大問題。常規筆電設計在熱處理議題上，多採行傳統散熱模組、散熱片、熱導管、風扇輔助等設計方案，但在薄化設計方向上，必須將這些設計于以薄化壓縮，例如，取消散熱片直接讓高發熱的處理器或是晶片組接觸機殼散熱，或搭配熱導管快速散熱，尤其是熱導管的應用，可將集中單點的熱源快速擴散，是Ultrabook散熱設計的極佳方案。

又回到成本問題，因為熱導管製作成本高昂，Ultrabook使用的導管還必須採薄化加工，例如將圓柱狀進行壓製處理成扁管設計，藉此降低機內的佔用高度，有的Ultrabook在規劃熱處理這塊設計工作時，甚至將熱導管縮到極短，反而將薄化散熱片加大來搭配風扇強制氣冷達到散熱設計要求。而早在超薄型的常規筆電中，也有採行利用石墨材料來輔助散熱的設計，但實際上石墨材料的熱導管或是機殼，雖具高散熱優勢，但成本仍過高，目前較少見於Ultrabook散熱設計中。

先前曾提到，Ultrabook減省CPU連接器、記憶體連接器的薄化設計方案，其實在Ultrabook的設計方案中，減省的連接器不只這兩種，例如，元件高度較高的RJ-45、RJ-11網路與電話數據機連接器，在新穎的Ultrabook就直接被取消，有的Ultrabook產品則提供外接擴充槽來滿足用戶的使用需求，在Ultrabook主機早就看不到這些接孔設計。此外，常規筆電常見的D-Sub顯示介面、PCMCIA插槽等連接或擴充應用，在Ultrabook設計方案中也被取消，外接的顯示介面改以更薄化的HDMI連接器，大幅縮減可用的I/O配置。

藉由熱導管、散熱器、強制氣冷風扇，重點改善散熱設計。(Fujitsu)

要達到薄化設計，目前僅有採行鋰聚合物電池材料，能達到較高薄化設計效益。(hp)

鋰聚合物電池可以輕易塑型、平整應用，滿足Ultrabook薄化設計要求。(Asus)

散熱設計亦可透過BIOS的電源管理機制調校，達到最佳化應用條件。(Asus)

常規筆電的模組化記憶體並不適用於Ultrabook，因為模組PCB板與連接器，都會耗掉可貴的機構空間。(Fujitsu)

Ultrabook儲存裝置多採用SSD設計方案，傳統硬碟設計已相當少見。(Fujitsu)

Ultrabook外殼材質影響製造成本與整體產品的機構強度。(lenovo)

為達到Ultrabook極致薄化設計目的，許多高度較高的連接介面，都一一被取消。(Vizio)