Жидкий металл в охлаждении: двухлетний эксперимент показал, что происходит с термоинтерфейсом

Что проверили в двухлетнем эксперименте

Инженер Роман Хартунг (der8auer) совместно с Thermal Grizzly поставил двухлетний эксперимент, чтобы проверить распространённое мнение: жидкий металл со временем «высыхает» и превращается в порошок. Образцы контактных пластин с нанесённым жидким металлом изучали под электронным микроскопом. Испарения или усушки не происходит — меняется агрегатное состояние из-за диффузии с металлом поверхностей.

Состав жидкого металла: галлий, индий, олово (галинстан)

В системах охлаждения обычно используют эвтектический сплав галлия, индия и олова — галинстан. Его температура плавления около 11 °C. Главный химически активный компонент — галлий.

Почему жидкий металл «высыхает»: диффузия и интерметаллиды

Жидкий металл не высыхает, а вступает в реакцию с металлом контактных поверхностей. Галлий диффундирует в медь или никель, образуя твёрдые интерметаллические соединения. Оставшиеся индий и олово формируют отдельную твёрдую фазу, из-за чего интерфейс визуально выглядит «высохшим».

Реакция с алюминием: межкристаллитная коррозия и охрупчивание

С алюминием галлий реагирует разрушительно: он разрушает защитную оксидную плёнку и мигрирует по границам зёрен, вызывая межкристаллитную коррозию. В эксперименте двухмиллиметровый лист алюминия полностью потерял прочностные характеристики и стал хрупким всего за 30 минут. Поэтому галлиевые сплавы нельзя использовать с алюминиевыми радиаторами.

Реакция с медью: рост слоя CuGa2 и его стабилизация

На меди галлий образует интерметаллид CuGa2. Скорость диффузии — около 1 мкм в сутки при комнатной температуре, при нагреве процесс ускоряется. Толщина слоя CuGa2 стабилизируется на уровне 50–100 мкм в зависимости от количества нанесённого металла и температуры.

Никелевое покрытие как диффузионный барьер и фаза NiGa5

Никелирование действует как диффузионный барьер. На никелированной меди галлий образует интерметаллид NiGa5, который растёт значительно медленнее и останавливается на толщине 1–10 мкм. Это практически полностью предотвращает глубокую коррозию медного основания.

Теплофизика: как интерметаллиды влияют на теплопроводность

Теплопроводность чистой меди — около 390–400 Вт/(м·К), исходного сплава — 35–70 Вт/(м·К), CuGa2 — около 100 Вт/(м·К). Это в четыре раза ниже, чем у меди, но на порядок выше традиционных кремнийорганических паст (8–15 Вт/(м·К)). Поэтому даже после полного отвердевания жидкого металла температура процессора под нагрузкой возрастает незначительно. На никелированных поверхностях теплопроводность NiGa5 ниже, но из-за малой толщины слоя паразитное тепловое сопротивление остаётся минимальным.

Динамика процесса: от часа до двух лет

Чтобы исключить влияние 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 визуально исчезала, уступая место кристаллам интерметаллида. Контрольный замер через два года показал стагнацию: структура и толщина слоя не изменились. Температура плавления CuGa2 — 254 °C, поэтому расплавить его в условиях работы ПК невозможно.

Правила эксплуатации и очистки подошвы кулера

Механическое скобление корки опасно — так легко повредить подошву кулера. Для очистки применяют специальные полировальные пасты, которые химически ослабляют связь интерметаллида с металлом и позволяют аккуратно удалить налёт без повреждения поверхности.

Альтернативы: графитовые и графеновые прокладки

Из-за высокой химической активности жидкий металл остаётся нишевым инструментом для оверклокинга. Как более безопасная альтернатива для прямого контакта с кристаллом набирают популярность графитовые и графеновые прокладки, например KryoSheet. Они уступают галлию несколько градусов, но не вступают в реакцию с металлами.

Стоимость галлия и ниша жидкого металла

За последние пять лет цена галлия выросла почти в десять раз — с 300 € до 2500–3000 € за килограмм. Это дополнительно ограничивает применение жидкого металла в массовых сборках.