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Ultrabook 10大超薄工法解密
NB组件技术再造

【作者: 陸向陽】2012年02月08日 星期三

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毫无疑问的,Ultrabook是NB(甚或是PC)产业目前唯一的亮点话题,但为成就其「13吋以下机种低于1.8cm,13吋以上机种低于2.0cm」的物理性目标,除了大量参考Apple MacBook Air所带来的灵感启发外,也寻求各种差异化与降低成本的可能,对此可谓无所不用其极,到底Ultrabook的实现工艺与传统NB有何不同?优劣为何?以下将对个中的8个关键部件进行讨论。


1. 机壳

机壳是Ultrabook与传统NB的最大差异,Ultrabook原初的设定是学仿MacBook Air的作法,先将铝柱原料放入熔炉重熔,而后铸成连续的铝板,铝板切割出其中一块后,送上CNC加工机进行钻、削、磨等动作,之后喷砂、雷射蚀刻、电镀上色等,以此完成NB的A、B、C、D件(A为上盖,B为显示器框,C为键盘上盖,D为底部)。


相较于传统NB使用的ABS塑材,并以射出成形、喷漆或膜内印刷等方式制作,CNC工法可谓耗能(成本)又耗时。


目前Ultrabook价格居高不下的主要因素也在于机壳加工机的产能受限,但Intel也提出变通方案,不坚持只用金属加工法,提出玻璃纤维的替代方案,玻纤也采射出成形、喷漆方式实现,但因为在塑料内掺入玻璃材料,因而增加外力抗受性。若纯以塑料制做机壳,则须达一定厚度,其外力抗受性才能达基本要求,然如此也就难达「薄」的物理要求。


另外也提出金属冲压法,比金属CNC加工来的低廉、快速,且良率高。至于碳纤维也具高度外力抗受性与轻薄,但制程良率低、价格昂,过往已有数款NB实行,如IBM ThinkPad、HP Envy 13等,之后多未能持续。


附带一提,纯铝过软(铝的优点是轻,使NB具高携性),多掺入其他金属(合金)以增加其硬度,或至少在主壳外,于壳内加装硬金属的内支撑架,不过超薄NB的内部空间已有限,内支撑架多未用或少用。合金方面,合金有多种作法,过往多强调铝镁合金,掺入镁的优点是镁的硬度够,也够轻,但价格贵,一般仅适度掺用。


2. 印刷电路板

传统NB使用一般的PCB印刷电路板,但Ultrabook为达到超薄,须使用Smartphone所用的HDI(High Density Interconnect)高密度印刷电路板,价格较高。


事实上,过往2009年CULV NB推行时即已使用HDI电路板,当时为连接高密度接脚排列的CPU,整片电路板上约1/2~1/4的面积须使用HDI技术,其余部份仍可实行传统排布密度较低的传统PCB技术。由于使用HDI会增加成本,业者向Intel反应后,Intel承诺后续将推出接脚较宽裕排列的CPU,如此可在不使用HDI下焊上CPU。


虽然如此,但若Ultrabook机内空间仍极度受限下,仍有很大可能性须使用HDI,其电路板成本仍比传统NB为高。而Apple由于已大量生产iPhone,HDI用量大,其量价均摊效果大于Wintel阵营,此也是Ultrabook现阶段居价格劣势的原因之一,但主因仍是成本较高的机壳,电路板成本低于机壳成本。


3. 显示面板

传统NB为了达到更薄的A、B件,已由CCFL背光改成LED背光,而今Ultrabook需要更薄,所以实行了特有的Open Cell制程。


传统的NB面板制程,是ODM/EMS业者(如广达、鸿海)直接取得已具有背光模块的LCD面板,而Open Cell制程则否,ODM/EMS业者取得不具背光的面板,并在A件内放入特有的超薄背光模块,之后才将面板与背光贴合,用特有工法实现更薄。


由于要更薄的背光模块及制造程序的改变,所以初期成本高,然在Ultrabook市场逐渐开展后,未来背光模块厂也考虑直接设计、实现超薄背光模块,未来制造程序仍会与传统制程相同,由面板厂或背光模块厂完成贴合动作,ODM/EMS不再需要自行贴合。


4. 芯片

芯片对Ultrabook设计可谓是关键,Ultrabook的机内空间有限,无法使用针状接脚与连接器,芯片均采球状接脚,并直接焊接于电路板上,减少机内高度的使用。


其次,芯片的封装尺寸也必须尽可能小型化(Small Form Factor, SFF),2008年第一款MacBook Air推出时,即逼迫Intel提前供应小型封装的芯片,否则难以实现MacBook Air。


另外,芯片数目也必须尽可能减少,如过去Core 2为主的CULV NB,须使用CPU、北桥(North Bridge;NB)、南桥SB等3颗芯片,并舍弃独立封装的GPU,而到了Core i后,CPU与NB整合,仅需2颗芯片,即CPU与SB,未来Ivy Bridge甚至会提供仅1颗芯片的SoC版。


芯片为降低高度使用球状接脚与焊接,为降低长宽电路板面积而减少芯片用数,并使用小型封装版。除这些外,芯片的功耗也极重要,若芯片产生高热,则有限的机内空间仍无法负荷,因此无法使用标准电压(功耗)的芯片,须使用超低电压(功耗)的芯片,芯片功耗自35W降至17W,且依据Intel对其后续芯片的目标期许,未来将降至15W、11W。


《图一 图上为标准尺寸的芯片组(北桥与南桥),图下为小型封装(SFF)的芯片组,SFF版适合小面积的电路设计。(图片来源:Intel.com)》
《图一 图上为标准尺寸的芯片组(北桥与南桥),图下为小型封装(SFF)的芯片组,SFF版适合小面积的电路设计。(图片来源:Intel.com)》

5. 内存

与上述相同的,内存芯片也是直接焊接于电路板上,节省机内高度的耗占,焊接的好处是省去模块子卡电路板、连接器等成本,但缺点是缺乏换装、扩充弹性,且需要更讲究制程良率与库存控制。


内存亦可能需要使用小型封装版、低功耗版,如一般NB使用DDR2(1.8V)、DDR3(1.5V)的SDRAM,Ultrabook可能需使用DDR3L(1.35V)的SDRAM。另外,未来也可能使用更低运作电压的DDR3U(1.25V),或手机领域使用的LPDDR2(1.2V),端视Intel对后续芯片组的技术规划而定。


由于力求机内空间的精省,在略去独立封装的GPU下,独立配置的视频存储器也一样略去,实行一体化内存架构(Unified Memory Architecture, UMA),从系统主存储器中切割部份空间充当视频存储器。


6. 储存装置

MacBook Air最初可使用1.8吋微型硬盘(直接取用自iPod classic的组件)或SSD固态硬盘,但之后全然只使用SSD,多数的Ultrabook也多实行仅用SSD的设计,目前唯独Acer的Ultrabook:Aspire S3例外,实行SSD、传统机械HDD兼具的设计,一般而言,兼具的设计可兼顾效能与价格容量比,但仍须由实际标竿(Benchmark)测试与建议售价(MSRP)而定。


而与过往多数论述相同的,SSD速度快、省电、抗震、省空间,但价格容量比低,且写入寿命短;相对地,传统机械硬盘的速度慢、耗电、不耐震、耗占空间。值得注意的是,由于2011年10月的泰国水患,全球52%的硬盘产能在泰国,其他于大陆、菲律宾、马来西亚等,传统机械硬盘供货大受冲击。推估后续Ultrabook仍会以SSD为主,改行HDD机会低。


《图二 新款MacBook Air内使用mSATA标准的SSD固态硬盘(手拿者),Wi-Fi模块(绿色芯片组左下相邻)也以内埋方式处理。(图片来源:iFixIt.com)》
《图二 新款MacBook Air内使用mSATA标准的SSD固态硬盘(手拿者),Wi-Fi模块(绿色芯片组左下相邻)也以内埋方式处理。(图片来源:iFixIt.com)》

7. 电池

一般NB使用圆柱状的锂离子(Li-ion)电池,圆柱状电池的内部是个圆柱状的钢罐,用来密封电解液(用钢抵抗电解液的腐蚀性),而所谓的3-Cell、6-Cell,即是使用3颗圆柱电池或6颗圆柱电池,且NB产业多使用18650电池(圆直径18mm,柱长650mm),已是不成文的产业标准(de facto)。


但很明显地,18mm已是Ultrabook整机的高度,Ultrabook不可能实行标准锂离子电池,取而代之的是锂聚合物电池,也称锂高分子(Li-Polymer)电池。锂高分子电池的电容量与锂离子电池相当,但电解液非液状,而类似果冻状,流动性低,所以不需要钢罐包覆,一般使用铝箔包覆即可防止电解液外溢的危险。


使用铝箔自然比钢罐轻,且电解液与铝箔都更软而更好塑形,因此可以形成超薄型、L型等过去钢罐所做不到的形体(钢罐碍于钢的金属强度、韧性等限制),增加机内可存放的电量,或提供更弹性的机内空间设计,或支持更轻薄的外观设计。


所以,无论MacBook Air或Ultrabook,一律使用锂聚合物电池,不过锂聚合物电池并非全无缺点,充放电次数较少,电池寿命较短,价格较高等,仍是其限。


除了锂聚合物电池外真无其他选择?答案为否,早于2009年的CULV NB攻势时,电池芯业者就提出圆直径更小的圆柱型电池,或者也提供更低扁的方形钢罐锂离子电池,虽然塑形弹性依然无法与锂聚合物电池相比拟,但只要NB系统业者能在空间配置上多花些心思,新尺寸、新构型的锂离子电池仍具实行性。


在电池芯类型外,整个电池组设计也不同,传统NB多实行可拆换的电池组,但Ultrabook为追求至薄,只能将电池内封,无法让终端消费者自行换替。不过,根据市场调查机构NPD的研究,消费者在初买NB的同时就加购第2组电池者,已逐年减少,甚至低于5%以下。


再者,随着NB电池电量持续增长,以及机内组件的用电逐渐减少(如LED背光、SSD储存、ULV芯片),还有各类型省电技术的提出(如C6省电状态)等,均使电池弹性替换的需求降低。


此外内埋设计让消费者无法使用协力业者(Third Party,又称:副厂)的电池,使售后服务的维修权责争议减少,因此内埋设计的反对立场逐渐减弱。


《图三 新款MacBook Air内部使用6片锂聚合物电池(图片来源:iFixIt.com)》
《图三 新款MacBook Air内部使用6片锂聚合物电池(图片来源:iFixIt.com)》

8. 散热设计

传统NB的散热模块多以散热片、热导管、电动风扇等3者来组成散热模块,但在薄型要求下,热导管也必须从圆柱管状变成扁管,以降低机内高度空间的耗占,甚至省略热导管,只用散热片与风扇完成散热设计。


另外,过往的日本超薄NB即有用石墨为导热材料的设计,如NEC UltraLite或SONY VAIO Z等,目前属先进的昂贵工艺,但未来条件成熟,也可能为Ultrabook所用。


散热除了模块设计,机壳上的气流进出设计也要考虑,过往即有终端消费者于网络上抱怨MacBook Air散热不良或过热等,此也使Ultrabook的外壳散热设计格外受重视,由于Ultrabook已相当薄型,所以散热风口多不在左右侧,而在显示器与机身的接缝位置,部份也设在底部。


《图四 Acer Aspire S3机内图,S3仍有使用热导管(铜色物)与扁平型锂离子电池(图左上)。(图片来源:3dnews.ru)》
《图四 Acer Aspire S3机内图,S3仍有使用热导管(铜色物)与扁平型锂离子电池(图左上)。(图片来源:3dnews.ru)》
《图五 ASUS UX31的散热孔位于显示器与机身间的机身后方。(图片来源:Anandtech.com)》
《图五 ASUS UX31的散热孔位于显示器与机身间的机身后方。(图片来源:Anandtech.com)》
《图六 多数Ultabook的散热孔设置在后方,然Lenovo IdeaPad U300s设置在侧面。(图片来源:tech2.in.com)》
《图六 多数Ultabook的散热孔设置在后方,然Lenovo IdeaPad U300s设置在侧面。(图片来源:tech2.in.com)》
《图七 Toshiba Portege Z830将散热孔设于机身底部(右下方)。(图片来源:pconline.com.cn)》
《图七 Toshiba Portege Z830将散热孔设于机身底部(右下方)。(图片来源:pconline.com.cn)》

9. 链接器

许多连接器的小型化或省略,例如RJ-45的标准以太网络埠因过高,从最初的MacBook Air便已取消,一律使用Wi-Fi联机,或透过额外连接的USB转接器来取得RJ-45埠。相同的,D-Sub的视讯输出埠也过高,不可能保留,改以HDMI埠取代。电源配接器的孔座也必须刻意设计成小型化,以便能配置在高度大减的侧面机身。


正因为侧面可配置I/O埠的面积大幅减少,11吋的Ultrabook多不提供记忆卡卡槽(Memory Card Slot),但13吋的Ultrabook仍有若干余裕可运用,仍提供SD卡槽以存取SD记忆卡,一般传统NB多提供多合一的记忆卡卡槽,但Ultrabook碍于高度之限,同时记忆卡几乎以SD为主流,因此只考虑支持SD。


其他如Wi-Fi也不再实行Mini PCIe的模块子卡,相关电路系统与功效直接焊于内部电路板,或至少以模块方式内埋,不再能自外部换替。


10. 其他

上述为每款Ultrabook必须面对的设计取舍,然在此外,也有许多相关设计需配合薄型要求而有所改变。


例如,与LCD一样放在A、B件间的WebCam摄影机模块也必须薄型化。传统NB所用的摄影机模块太厚,虽大量、廉价生产,但无法放入Ultrabook,也必须重新设计生产,同时也包含麦克风,这些均会垫高成本。


再来是键盘,分岛、孤岛键盘(俗称巧克力键盘)已是主流,但最新款的MacBook Air具备与MacBook Pro相同的背光键盘。相对地,多数Ultrabook业者未替键盘加入背光,目前所知只有HP的Ultrabook:Folio具备背光。另外,Apple的NB原初多使用金属键盘,之后改成黑色塑料键盘,但现有Ultrabook业者则仍偏好金属键盘。


结语

至此可知,Ultrabook实是PC硬件组件生态的再次演化提升。


过去是桌上型转变成笔记本电脑,诸多组件开始进行「并存而后替代」的历程,如3.5吋硬盘变成2.5吋、DIMM内存模块变成SO-DIMM、PCIe适配卡变成Mini PCIe模块子卡。


而今为了成为更薄的NB,NB组件也全面再提升,甚至诸多方面的提升灵感启发是来自Smartphone的生态系统,如SSD(NAND Flash)、HDI等。


Ultrabook虽然可透过薄型外观博得消费者宠爱,但能否持续扩大占比,目前仍难定论,以桌面计算机为例,即便之后推出准系统、公升级计算机等小型化系统,并在推行初期大受媒体好评与市场青睐,但直至今日,传统塔型桌面计算机仍是大宗,仍在整体桌面计算机市场占有50~60%以上比重。


所以,即便Ultrabook大受喜爱,Intel目前也仅设定在消费型NB的20~40%占比,此还不包含商务型NB,若包含则在整体NB市场的占比更低。


最后,其实Ultrabook推展艰辛的原因,并不单只是CNC加工机的产能排挤,或只是Wintel业者多未涉足Smartphone产品,而无法招架Apple以Smartphone零件建构出超薄NB的攻势,更重要的问题是缺乏自己的产品发展步调、自己的产品中心思想,及一致性的产品设计风格与识别,即便今日有Ultrabook的高工艺品,也仅被媒体、大众视为偶有佳作(更糟为急就章之作),优势无法扩大持续。


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