左圖是X300與T61的比較圖,站長將X300擺在T61上面。請網友留意圖片中兩台主機的左下方,除了兩側各有一列CPU排風口之外,底部還有三列的進氣孔,再配合稍微隆起的底殼造型,這便是T61開始採用的「通風斷熱」散熱設計。

從左圖不難比較出X300與T61的機體厚度差異,即使X300已經採用Intel特製的低電壓版CPU,Yamato Lab仍將T61引以為傲的散熱設計用於X300。T-Series向來搭載高速CPU,Yamato Lab通常也將最先進的散熱設計應用在T-Series,至於X300可說是集其各項設計之大成。

如果再把ThinkPad的散熱設計歷史向前延伸,就要從1994年,熱導管首次投入ThinkPad抗熱作戰開始談起。早年的ThinkPad 750C(80486SL/33MHz)其CPU TDP(Thermal Design Power)僅1.7W,但後來Intel推出486DX4(75MHz)CPU時,TDP暴增為3.3W。Yamato Lab準備將這顆CPU用在ThinkPad 755C時傷透了腦筋。後來決定採用熱導管(Heat Pipe)解決散熱問題。

熱導管這項14年前的經典設計,從對付TDP「3.3W」的CPU一直進化到用來對付TDP 35W的Intel雙核心CPU,甚至高速GPU在內, 顯見技術不斷的演進而未退流行。ThinkPad 750C推出時,系統僅採用散熱片與熱導管,至於ThinkPad首次採用散熱風扇則是1997年的事情了。

 

 

Yamato Lab日後也針對熱導管進行了幾項「變形應用」,例如:

  • Thermal Hinge---透過Hinge(金屬軸承)將廢熱傳導至LCD背蓋內的金屬散熱片,此項設計用於ThinkPad A20。
  • Base cover with Heat Pipe--- 將熱導管與機體底蓋結合,用於ThinkPad T20。
  • Vapor Chamber Heat Pipe---專克桌上型CPU( Pentium4)超高TDP的巨型散熱機構,用於ThinkPad G40。

隨著Intel CPU時脈不斷提升,TDP也日益高漲。光靠散熱片及熱導管恐將難以應付,但Yamato Lab一直到1997年推出ThinkPad 760XD時,才首次採用散熱風扇,當時所搭載的CPU是Pentium 166MHz。Yamato Lab之所以遲遲未採用散熱風扇的原因在於可靠度以及噪音問題。為了進一步解決這兩項問題,Yamato Lab開始投入「Hydro Dynamics Bearing」 (台灣通稱為「液態軸承」)的風扇研究。終於在ThinkPad 600首次採用液態軸承的新型散熱風扇。

ThinkPad 600世代除了機構上的成就之外(首款內建光碟機的輕薄筆電),內部的散熱設計更成為日後ThinkPad散熱機構的主要基本概念。例如Yamato Lab首次將熱導管與散熱風扇組成「Fan&Heat Pipe Hybrid」散熱機制,以及在銅(導熱性佳)與鋁(重量輕)金屬中取得平衡的「Material Hybrid」材質組合。

 

時至今日ThinkPad的散熱機制仍採用「Fan&Heat Pipe Hybrid」設計,但個別的設計均改進不少。先以熱導管為例,早期的熱導管僅有一條,且僅負責傳導CPU廢熱,現在的熱導管已增為兩條,負責的晶片已涵蓋CPU、北橋晶片與獨立顯示晶片。這項設計稱為「Multi Plate Cooling Device」從ThinkPad T40開始採用。

至於散熱風扇除了在馬達軸承上改進之外,Yamato Lab也在葉片造型上費盡苦心。傳統思惟是「提高馬達轉速、增大風量以壓制CPU熱度」,但此舉卻會帶來提高運轉噪音的後遺症,使用者長時間使用時往往感到不舒服。

既然風扇轉速不能隨意提高,Yamato Lab便開始思索其他的改進方式,首先從ThinkPab T60採用的「Silent Owl Blade」(貓頭鷹羽毛造型葉片)開始,這項設計靈感取自貓頭鷹的羽毛造型,目的是藉由改進葉片造型,達成降低運轉噪音的目的。T60也採用雙CPU排風口( Double Exhaust)設計,提高CPU廢熱排放量。

但到了推出ThinkPad T61時,由於採用Intel Core 2 Duo (Merom) CPU,TDP又增加了,Yamato Lab這次不單從散熱機制上著手,轉而從機構設計下手。最後交出的亮麗成果是T61即使搭載更高TDP的CPU,機體底部溫度竟然還比T60低了五度!關鍵設計便是前文已提過的「通風斷熱」設計,師法住宅建築技術的發明,在高溫的發熱體下方裝設進氣孔,達到導入冷空氣的目的。

Yamato Lab曾評估過, 如果T61不採用通風斷熱設計,也想達成比T60低五度的結果,必須能確保增加15%的風量,相當於散熱片需增加2mm厚度或是提高2dB噪音量,很顯然地Yamato Lab決定同時兼顧機體散熱與降低噪音,而毫不妥協。 此外T61也採用了第二代的貓頭鷹羽毛造型葉片,進一步降低風扇的噪音。

X300除了同樣採用通風斷熱設計、貓頭鷹羽毛造型葉片之外,風扇轉速具備四段變化,其他機種為三段變化。

 

X300在散熱機制上師法T61,為了在超薄的機身內塞入光碟機等元件,主機板面積勢必縮小,同時還必須在迴路設計上符合ThinkPad共通設計(例如完整支援ThinkVantage功能)。Yamato Lab並針對X300的主機特性設定了:高密度組裝與省電設計的目標,透過精密電路設計與製造達成主機板縮小化。通常notebook的電路設計圖約50∼70張,X300則高達100張,顯見電路設計之複雜度。

X300主機板能夠大幅縮小並維持精密度的關鍵有兩項:

  • 採用Intel SFF (Small Form Factor) 封裝的CPU及晶片組。
  • 採用HDI (High Density Interconnect)主機板

結合這兩項的成就是X300的主機板面積比T61縮小了52%,重量也減輕了60%。茲比較如下:

  • T61主機板面積(40200平方公釐) vs. X300(19100平方公釐)
  • T61主機板重量(125公克) vs. X300(50公克)
  • T61主機板厚度(1.2公釐) vs. X300(1.0公釐)

 

 

關於X300所採用的SFF封裝平台,研發代號是「Santa Ynez」,可看作「Santa Rosa」平台的先進封裝版。先以CPU為例,Santa Rosa平台初期搭載的是Merom處理器(後期才改為Penryn),與Santa Ynez版本的Merom差別如下(均以低電壓版為例):

 
Merom-LV
(Santa Rosa)
Merom-LV
(Santa Ynez)
封裝面積
35mm x 35mm
22mm x 22mm
封裝高度
2.9mm
2.0mm
Ball(腳位)數量
479(BGA)
956(BGA)
Ball Pitch(min)
1.27mm
0.673mm

北橋資料如下:

 
965PM/GM
(Santa Rosa)
GS965 SFF
(Santa Ynez)
封裝面積
35mm x 35mm
25mm x 27mm
封裝高度
2.4mm
2.06mm
Ball(腳位)數量
1299
1363
Ball Pitch(min)
0.8mm
0.592mm

 

 

 

南橋資料如下:

 
ICH8M-Enhanced
(Santa Rosa)
ICH8M-Enhanced-S
(Santa Ynez)
封裝面積
31mm x 31mm
16mm x 16mm
封裝高度
2.3mm
1.4mm
Ball(腳位)數量
676
576
Ball Pitch(min)
1.0mm
0.65mm

很明顯地,採用SFF封裝的晶片面積可大幅縮小,但BGA腳位數量也增加許多,主機板也必須採用高密度設計。Yamato Lab便在X300主機板上採用「HDI」(High Density Interconnect)設計。T61的主機板雖然是十層板(FR4),但各層電路採用「PTH(Plated Through Hole)」的貫通設計。X300所使用的HDI電路板同樣有十層,但採用兩項非貫通技術(interstitial via hole)用來連接內外部各層(1+8+1):

  • blind via hole:供連接表層與第二層(或第十層連接第九層)
  • buried via hole:供第二層至第九層,各層內部連接用

值得一提的是,早在1994年推出ThinkPad 755C時,主機板便已採用過blind via hole技術。

 

隨著晶片的BGA腳位數量增加,如何避免晶片「錫裂」便成為亟待克服的議題。一般桌上型電腦所使用的主機板較少發生晶片腳位斷裂等問題,畢竟主機板鮮少遭受到外力施壓(除非使用者常用腳去踹...),筆記型電腦就常常需要外出移動,主機板一但受到各種外力時,很容易產生彎曲,這時候原本焊接在板子上的BGA封裝晶片便有可能在焊接點處斷裂(錫裂)。

Yamato Lab在T40-Series時便飽受錫裂困擾,因為後期的晶片組BGA腳位越來越複雜,雖然ThinkPad「主機本體」強固性依舊,但對於遇到外力導致機板彎曲而造成的錫裂卻是傷透腦筋。也因此後來推出了「Roll Cage」金屬骨架,便是用來保護越來越「脆弱」的BGA封裝晶片。

X300採用了兩項措施以保護BGA腳位暴增的SFF封裝晶片,一項是「單體Roll Cage」設計,另一項則是在設計階段便進行「彎曲測試」,作為零件擺設位置、黏著劑使用最佳化等的重要參考。

X300內部設計除了散熱機制與超精密主機板之外,攸關機體強度的材質應用與結構設計也是Yamato Lab的拿手好戲之一,請待稍後介紹。

 

 

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