ТехволнаЖидкий металл в системах охлаждения не высыхает, а превращается в твердый сплав
Инженер Роман Хартунг, известный как der8auer, вместе с компанией Thermal Grizzly GmbH поставил точку в давнем споре о поведении жидкого металла. Два года они изучали образцы под электронным микроскопом и выяснили, что никакого высыхания или испарения не происходит. Визуально интерфейс действительно становится похож на сухой порошок, но физика процесса совершенно иная.
В основе жидкометаллических термоинтерфейсов лежит эвтектический сплав галлия, индия и олова — галинстан. Он остается жидким при температурах выше 11 °C, а главным действующим лицом в нем выступает галлий. Его химическая активность по отношению к разным металлам радикально отличается, что и определяет совместимость.
С алюминием галлий категорически не дружит. Эксперимент показал, что он легко разрушает защитную оксидную пленку и стремительно проникает по границам зерен кристаллической решетки. Двухмиллиметровый алюминиевый лист полностью потерял прочность и стал хрупким всего за полчаса.
Именно поэтому использовать такие сплавы с алюминиевыми радиаторами нельзя. На меди сценарий другой. Галлий вступает с ней в твердофазную реакцию, формируя интерметаллид CuGa2.
При комнатной температуре диффузия идет со скоростью около одного микрона в сутки, а нагрев ее ускоряет. Со временем толщина слоя CuGa2 стабилизируется в диапазоне от 50 до 100 микрон, после чего процесс останавливается. Оставшиеся индий и олово образуют отдельную твердую фазу, что и создает иллюзию высыхания.
Никелевое покрытие работает как надежный диффузионный барьер. На никелированной меди галлий образует соединение NiGa5, слой которого растет значительно медленнее и не превышает 1–10 микрон. Такое покрытие практически полностью предотвращает глубокую коррозию медного основания.
С точки зрения теплофизики ситуация не катастрофична. Теплопроводность чистой меди составляет около 390–400 Вт/(м·К), а исходного жидкого сплава — от 35 до 70 Вт/(м·К). Образовавшийся CuGa2 имеет показатель порядка 100 Вт/(м·К).
Это примерно в четыре раза ниже, чем у меди, но на порядок выше, чем у традиционных кремнийорганических паст с их 8–15 Вт/(м·К). Этим и объясняется, почему даже после полного отвердевания жидкого металла температура процессора под нагрузкой растет незначительно. На никелированных поверхностях теплопроводность фазы NiGa5 ниже, но из-за микроскопической толщины слоя итоговое паразитное тепловое сопротивление остается минимальным.
Чтобы исключить влияние кислорода и образование оксида галлия, тестовые образцы выдерживали в вакуумной камере и боксе с азотной атмосферой. Анализ показал, что через час после нанесения сплав остается полностью жидким. Через два месяца жидкая фаза визуально исчезает, уступая место кристаллам интерметаллида.
Контрольный замер через два года подтвердил стагнацию процесса — структура и толщина слоя не изменились. Поскольку температура плавления CuGa2 составляет 254 °C, расплавить его повторно в условиях работы компьютера невозможно. Механическое соскабливание корки опасно — так легко повредить подошву кулера.
Для очистки применяют специальные полировальные пасты, которые химически ослабляют связь интерметаллида с металлом и позволяют аккуратно удалить налет. Из-за высокой химической активности жидкий металл остается нишевым инструментом для оверклокинга. В качестве более безопасной альтернативы для прямого контакта с кристаллом набирают популярность графитовые и графеновые прокладки вроде KryoSheet.
Они уступают галлию несколько градусов, но не вступают в реакцию с металлами. Стоит учитывать и экономический фактор. Цена галлия за последние пять лет выросла почти в десять раз, поднявшись с 300 до 2500–3000 евро за килограмм.
Это делает жидкометаллические термоинтерфейсы еще более узкоспециализированным решением для энтузиастов.
