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
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；外部空間：觸控板變更大
- 內部空間：電池面積佔一半
- 結構強度：特殊結構加強剛性
- 機身開口：氣流通道是散熱關鍵
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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