Жидкий металл в системах охлаждения не высыхает — он превращается в интерметаллиды

Жидкий металл в системах охлаждения со временем не испаряется и не превращается в порошок из-за «высыхания». К такому выводу пришли инженер Роман Хартунг, известный под ником der8auer, и компания Thermal Grizzly GmbH после двухлетнего эксперимента с контактными пластинами.

‹›

Образцы с нанесённым термоинтерфейсом исследовали с помощью электронного микроскопа. Выяснилось, что первоначально жидкий сплав постепенно меняет агрегатное состояние из-за диффузии с металлом контактных поверхностей. В результате образуются твёрдые интерметаллические соединения, а оставшиеся компоненты переходят в отдельную твёрдую фазу.

Почему алюминий несовместим с галлием

В системах охлаждения обычно используется галинстан — эвтектический сплав галлия, индия и олова с температурой плавления около 11 °C. Наиболее химически активным компонентом в нём является галлий.

При контакте с алюминием галлий разрушает защитную оксидную плёнку и проникает по границам зёрен кристаллической решётки. Это вызывает межкристаллитную коррозию и охрупчивание металла. Во время эксперимента алюминиевый лист толщиной два миллиметра потерял прочность и стал хрупким всего за 30 минут. Поэтому галлиевые сплавы нельзя использовать с алюминиевыми радиаторами и другими алюминиевыми деталями.

Что происходит с медью

На медных поверхностях галлий вступает в твёрдофазную реакцию с медью и образует интерметаллид CuGa2. При комнатной температуре слой растёт примерно на один микрометр в сутки, а при нагреве процесс ускоряется. В зависимости от количества нанесённого сплава и температуры его толщина обычно стабилизируется в диапазоне 50–100 микрометров.

Именно из-за этого процесса интерфейс со временем выглядит высохшим. Однако речь идёт не об испарении жидкости, а о превращении материала в кристаллические соединения. После двух месяцев жидкая фаза визуально исчезает, а контрольное исследование через два года показывает, что дальнейший рост слоя практически прекращается.

Никелевое покрытие работает как диффузионный барьер. На никелированной меди галлий формирует соединение NiGa5, которое растёт существенно медленнее и обычно достигает толщины от одного до десяти микрометров. Такое покрытие почти полностью защищает медное основание от глубокой коррозии.

Влияние на температуру и обслуживание

Образование интерметаллидов действительно меняет теплопроводность границы между кулером и теплораспределителем, но не приводит к резкому перегреву. Для сравнения: теплопроводность чистой меди составляет около 390–400 Вт/(м·К), исходного галинстана — 35–70 Вт/(м·К), а CuGa2 — примерно 100 Вт/(м·К).

Хотя CuGa2 проводит тепло примерно в четыре раза хуже меди, его показатель всё равно значительно выше, чем у традиционных кремнийорганических термопаст с теплопроводностью около 8–15 Вт/(м·К). Поэтому после затвердевания жидкого металла температура процессора под нагрузкой обычно увеличивается лишь незначительно. На никелированных поверхностях теплопроводность NiGa5 ниже, но из-за малой толщины слоя его влияние на общее тепловое сопротивление остаётся небольшим.

Чтобы исключить воздействие кислорода и образование оксида галлия, образцы выдерживали в вакуумной камере и боксе с азотной атмосферой. Через час после нанесения сплав оставался полностью жидким, через два месяца жидкая фаза исчезала, а спустя два года структура и толщина образовавшегося слоя уже не менялись.

Повторно расплавить CuGa2 в условиях обычного компьютера невозможно: температура его плавления составляет около 254 °C. Механически соскребать затвердевший слой также рискованно — так можно повредить подошву кулера. Для очистки используют специальные полировальные пасты, которые ослабляют связь интерметаллида с поверхностью и позволяют удалить налёт более аккуратно.

Из-за химической активности жидкий металл остаётся специализированным решением, прежде всего для оверклокинга и систем с прямым контактом с кристаллом. В качестве более безопасной альтернативы набирают популярность графитовые и графеновые прокладки, включая KryoSheet. Они могут уступать жидкому металлу несколько градусов, зато не вступают в реакцию с металлами. Дополнительным ограничением становится цена галлия: за последние пять лет она выросла примерно с 300 до 2500–3000 евро за килограмм.