輕薄筆電大部拆解:空間使用、結構強度、機身開口設計很有學問

國寶大師 李文恩

在 PC 龍頭 Intel 跳出來大喊 Ultrabook 後,市面上的輕薄筆電愈來愈多。為什麼筆電能夠做得那麼輕薄?要如何兼顧功能與體積?該怎麼平衡效能及散熱?從外觀到內在,輕薄筆電有著許多我們不知道的祕密,我們將揭曉它神秘的面紗!

快速目錄:

極致筆電三元素:輕、薄、巧

輕薄巧是應有的特色

早期消費者在挑選筆電時,往往被廠商灌輸規格越強就是好的觀念,採用多強的處理器、顯示卡,或是配有多少擴充介面,這樣的筆電才是最棒的,但是不斷提升規格的結果,就是筆電變的越來越肥大,反而限制了筆電最大的特色:行動力。

但是回過頭來想想,如果我們能夠徹底貫徹筆電應該有的特色,在顧全基本功能的前題下,盡可能地縮減筆電的體積以及重量,這樣不是更能將筆電的初衷發揚光大,讓大家能夠更輕鬆地將電腦帶離桌上,無論是行動商務的需求,或只是想要優閒地帶著自己的筆電到咖啡廳裝憂鬱,都可以因為較低的重量減輕不少攜帶的負擔。

輕跟薄容易想像,那什麼是巧?簡單來說就是設計的巧思,鍵盤配置、線材設計、人機介面等都算是巧的領域。然而在筆電規格制式、產品追求低價之後,設計大多大同小異,很難看出設計巧思。但在輕薄筆電上,我們可以看到某些機構、介面設計上有別於以往的設計,這或許能算是「巧」領域的進步。

希望不要重蹈CULV覆轍

早在2009年Intel就曾企圖以CULV攻佔輕薄筆電市場,但是產品定位不明,雖然產品體積可以獲得改善,但是效能表現無法滿足所需,造成CULV無法開創與Netbook不同的客戶群,最終只能黯然退出市場。將時間拉回現在,Ultrabook至少已經有了不錯的開局,但是在第二代的產品中,越來越多廠商開始走回頭路,紛紛為Ultrabook加入獨顯、光碟機,或是推出大尺寸機種,Ultrabook會不會因為廠商求好心切,希望能討好更多消費者,反而越來越厚重,最終步入CULV後塵,還有待時間以及市場的考驗。

在接下來的文章中,筆者將對不同零組件分類介紹,分析並探討輕薄筆電與常規筆電的不同之處,不過有鑑於某些 Ultrabook 已經有越來越肥大的跡象,因此筆者將以「輕薄筆電」做為研究之主要對象。

材料也是決勝關鍵

輕薄筆電追求降低重量的精神就如同賽車一樣,任何零件都有可以動手腳的空間,這邊講的動手腳並不是指偷工減料,而是斤斤計較地設法減輕重量,無論是筆電或是賽車,結構體的重量絕對是不容忽視的環節。

所謂的結構體就是筆電的機殼部分,它除了要承載所有零件,也需要具有一定的強度來對抗外力的衝擊,所以想要降低重量的話,就需要使用強度較高的材料來打造機殼。一般常規筆電為了成本考量,大多以ABS塑膠為材料,然而因為塑膠的強度比較低,所以機殼大約需要1.2mm的厚度,才能提供足夠的強度。如果採用強度更高的材料,就能將機殼做得更薄,雖然說材料本身的密度可能比塑膠大,但是還是可以降低整體重量。

目前比較常使用的材料為鋁合金或鎂合金,兩者的強度都比塑膠高出許多,鋁合金機殼厚度可以降低約0.8mm,而強度較高的鎂合金可以讓機殼最薄處降至0.45mm,然而因為鎂合金的硬度較高,比較不易加工,提高了製造的難度及成本。至於強度更強的碳纖維材質,機殼最薄處僅需0.3mm,能夠節省更多重量。

讀者可參考下方表格整裡的各材料的機械特性,其中密度較高代表相同體積會比較重,彈性係數較高代表受力後不易產生變形,抗拉強度則是指材料最大可承受的應力。需注意的是各材料的性質,可能會受到加工及成份的影響,不過我們還是可以從中看出各材料間的差異。

碳纖維最難製造

又輕又硬的碳纖維看似是機殼的最佳選擇,但是生產過程相對費時費力,基本上碳纖維的製程為在積層板上堆疊編織好的碳纖維,然後再以樹脂膠合,但是樹脂可能在灌注時產生氣泡,造成良率降低,在生產的過程中也需要等待樹脂乾燥,造成整體成本大約比金屬機殼高出1倍。

▲碳纖維材料在製作時需要將一條一條碳質纖維絲編織成片狀結構,因此會留下像是布料的編織紋路

相較之下金屬機殼的生產就簡單多了,鋁合金及鎂合金都可以透過壓鑄製造,其原理為將熔融態的合金以高壓注入模具,利用模具較低的溫度急速凝固成型,很適合製作薄壁鑄件,由於熔融合金凝固的速度相當快,因此壓鑄件的產能遠高於碳纖維,再加上金屬成型後可再透過CNC加工進行切削,生產的彈性也比較高,因此在重量許可的情況下,大部分的廠商還是選擇金屬做為機殼的材料。

▲如果在碳纖維的樹脂中加入染劑的話,就會把編織紋路覆蓋過去,讓外觀看起來與塑膠十分相近。

外部空間:觸控板反而變更大

輕薄筆電的鍵盤基本上不會比常規機種小,但大家比較容易忽略的細節,是觸控板的尺寸往往不減反增,成為少數在尺寸上大於常規筆電的元件

常規筆電的觸控板受限於鍵盤位置而較小。筆者測量了一下2種筆電觸控板的尺寸(皆包含按鍵部分),其面積差異約為1.6倍。

電池居然影響觸控板尺寸

輕薄筆電給人的印象就是又輕又薄,任何零件只要沒有技術上的困難,就應該做得越小越好,不過其中的反例就是鍵盤與觸控板等人機介面。由於筆電的整體尺寸受螢幕影響最大,在螢幕大小決定後,機身正面的最小面積也隨之確定,因此在固定的面積中不需要刻意縮減鍵盤尺寸,只需設法減少其厚度即可。

然而觸控板可以變大的主因,是可能讓人聯想不到的電池機構。由於常規筆電大多採用可抽換式電池,然而電池本身的厚度讓其正上方無法容納鍵盤模組,因此需將鍵盤往機身前方移動,進而擠壓到觸控板可以使用的空間。輕薄筆電大多採用內置式薄片狀電池,在電池的上方還有足夠的空間可以放置鍵盤以及觸控板,所以可以用的空間反而比常規筆電大。

IO 端子面臨閹割

在輕薄筆電中不乏看到機身薄到放不進D-sub、RJ-45等介面的產品,之所以要取消這些端子不外乎是想要減低產品厚度,上述2種介面大約需要11mm的高度,雖然不到Intel對Ultrabook訂下的18mm限制,但是部分產品在IO端子部分僅有不到9mm的厚度,所以要追求極致輕薄還是需要做出犧牲。

有的輕薄筆電為了要節省體積,除了USB採用標準端子外,其於介面都採用迷你版端子。

採用標準端子雖然可以免去使用轉接線材的麻煩,但是筆電勢必隨之變厚。

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(後面還有:內部空間-電池面積占一半)

內部空間:電池面積佔一半

少了傳統硬碟、光碟機之後,空出來的空間就可以用來放置電池。此外輕薄筆電大多將主機板放在機身後方,以利直接將廢熱排出。

常規筆電的零件中,最佔空間的非硬碟與光碟機莫屬,佔據了機身內大約1/3的空間。

電池比主機板大片

為了要說明電池空間的配置,我們先粗略地將機身內部的空間分為2層,上層可以放置鍵盤以及觸控板等模組,下層則是擺放主機板、硬碟、光碟機等零件,但是在常規筆電中,往往採用筒狀的18650鋰電池,它的直徑為18mm,加上電池模組的外殼之後,厚度大約為20mm,需要用到雙層空間,因此只能將電池擺在機身後方。輕薄筆電較常採用的電池為片狀鋰聚合物電池,厚度大約只有5mm,因此可以塞入下層之中,增加空間配置的彈性,不過在厚度減少的情況下,為了要維持相同蓄電量,只好加大面積,在主機板縮小的情況下,造成了電池比主機板大片現象。

將熱源全部往後推

對於使用者體驗的角度而言,只要電腦不要當機或是造成損壞,機身內部的溫度有多高都不是重點,重要的是不能讓置手板以及鍵盤的溫度太高,而造成使用者的不適。由於輕薄筆電的電池配置與常規筆電不同,因此可以把主機板放置在機身最後方,如此一來就可以將處理器搬離使用者會觸及的位置,避免溫度造成的影響。

喇叭的音箱容積是個尷尬的取捨,大音箱的聲音表現會比較好,但是提升的效能卻是不易被量化比較的。

有的輕薄筆電為了要容納硬碟與光碟機,只好將內部空間切割為許多小區塊。

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(後面還有:結構強度-特殊結構加強剛性)

結構強度:特殊結構加強剛性

關鍵字:筆電之A、B、C、D件

為了簡化筆電機殼的稱呼,習慣上以A、B件稱呼筆電的螢幕上蓋以及邊框部分,C件指鍵盤周圍及置手板的這片組件,D件則是筆電的底座。

蜂巢結構讓機殼更薄

顧名思義,蜂巢結構就是與蜂巢一樣為六邊形緊密堆積的結構,這種結構具有節省材料、提高強度的特性。在平面幾何中,六邊形能以每範圍最小的周長圍出一封閉範圍,也就是說可以在機殼上採用最少的材料做出最多的封閉結構。

封閉結構可以承受較大的力,想像一下一個O型的管子(封閉結構),與切開一個口的C型管子(開放結構),從經驗中應該可以知道O型管子會比較堅固,此外蜂巢結構的每個頂點都與3個六邊形相臨,可以把受力平均分散出去,造就了蜂巢結構強固的特性。

此為採用鎂合金製造的輕薄筆電C件,為了要承受按壓鍵盤以及手部的重量,採用剛性較強的蜂巢狀結構,在強度允許的情況,蜂巢中央甚至可以鏤空或是薄化來減輕重量。

▲由於常規筆電採用ABS,強度比較不足,因此不能像鎂合金機殼一樣挖洞,重量自然會比較高。

碳纖維不須再強化

至於碳纖維機殼則不見蜂巢狀的強化結構,其原因除了碳纖維本身的強度已經足夠,不需要再以特殊結構進行強化,再者碳纖維的製程不易做出蜂巢結構。回憶一下金屬機殼的生產方式,可以透過壓鑄成形,只需要在模具上刻出對應紋路,熔融合金灌入模具後就可以做出蜂巢結構,但是碳纖維是採編織及樹脂膠合,無法在生產時做出蜂巢結構。常規筆電則是因為可用的空間較大,設計時大多採用較厚的ABS承受外力,並以肋條(rib)結構加強特定區域,雖然會增加總重,但是設計上比較簡單。

大部分的常規筆電都採用肋條結構增加結構的強度,以增加機身邊緣對抗外力的能力。

(後面還有:機身開口-氣流通道是散熱關鍵)

機身開口:氣流通道是散熱關鍵

多向氣孔增加氣流

空冷散熱的基本要素就是空氣的流動,如果能夠吸入更多的冷空氣、排出更多熱空氣,就能提高散熱的效率,但是輕薄筆電往往會遇到空間及結構強度等2個大問題,由於機身厚度小於常規筆電,機殼的強度設計往往逼近臨界值,所以無法像常規筆電一樣單純加大散熱孔解決問題。

在改善進氣方面,輕薄筆電可以透過凸出式設計增加進氣口的表面積,讓相同大小的開口能夠吸入更多氣流,除此之外還有的產品會在鍵盤動手腳,將鍵帽下方底座鏤空,做為冷空氣的入口。由於排氣口需要顧及能夠直接將熱風排出,因此比較常見的設計為在散熱片所在設置多向開口,或是活用螢幕轉軸處無法放置IO端子的地方,設置長條狀排氣口。

由於輕薄筆電的機身比較緊緻,需要設法開設更大的進氣口以及排氣口,才能讓提高散熱的能力。圖中的進氣口採凸出式設計,排氣口則是在D件的底、背、上側採3面開口。

▲有的輕薄筆電將進氣口的腦筋動到鍵盤上,讓機身可以從整片鍵盤的空間吸入冷空氣。

常規筆電的機身較厚,因此只需要開設單一排氣口即可達到散熱的需求。

聲音也需透出開口

大部分的常規筆電都會將喇叭開口設置在機身前方或C件上,讓聲音可以直接送入使用者的耳朵,輕薄筆電也會朝這個方向設計,然而採用楔形機身的產品,就無法將喇叭開口設立在前方,同時又需要避開喇叭與鍵盤產生的共振,權宜之計只好將開口設在機身背面。

▲有些輕薄筆電機身前緣太過鋒利以至於無法容納喇叭,因此喇叭開口需要移到機身背面的中央。

 

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原文網址:https://t17.techbang.com/topics/17518-slim-tv-universitys-dismantling-of-the-department-space-use-strength-of-construction-open-design-of-the-fuselage-is-learned?page=1