Жидкий металл не высыхает, а твердеет: что показало двухлетнее исследование
Распространённое объяснение деградации жидкого металла в системах охлаждения сводится к его «высыханию». Однако двухлетнее исследование инженера Романа Хартунга, известного под ником der8auer, и компании Thermal Grizzly показало другую картину. Образцы с нанесённым термоинтерфейсом изучали под электронным микроскопом, чтобы выяснить, что происходит с ним спустя месяцы и годы эксплуатации.
Оказалось, что жидкий металл не испаряется и не превращается в порошок из-за потери влаги. Он меняет агрегатное состояние в результате диффузии с металлом контактных поверхностей. В ходе этого процесса образуются твёрдые интерметаллические соединения, из-за которых интерфейс постепенно начинает выглядеть как высохший.
Как галлиевый сплав взаимодействует с металлами
В системах охлаждения обычно применяется галинстан — эвтектический сплав галлия, индия и олова с температурой плавления около 11 °C. Наиболее активным компонентом этой смеси является галлий, и именно он определяет характер взаимодействия термоинтерфейса с основанием кулера или теплораспределительной крышкой.
Контакт с алюминием особенно опасен. Галлий разрушает защитную оксидную плёнку и проникает по границам зёрен кристаллической решётки. Это приводит к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию металла. В эксперименте лист алюминия толщиной 2 мм всего за 30 минут потерял прочность и стал хрупким. Поэтому галлиевые составы нельзя использовать с алюминиевыми радиаторами.
С медью реакция протекает иначе: галлий вступает с ней в твёрдофазное соединение и образует интерметаллид CuGa2. При комнатной температуре слой растёт примерно на 1 мкм в сутки, а при нагреве процесс ускоряется. В зависимости от количества нанесённого состава и температуры его итоговая толщина составляет около 50–100 мкм. Индий и олово формируют отдельную твёрдую фазу, поэтому поверхность визуально напоминает покрытие, которое высохло.
Никелевое покрытие заметно замедляет диффузию. На никелированной меди галлий образует соединение NiGa5, но слой растёт гораздо медленнее и обычно останавливается на толщине 1–10 мкм. Такое покрытие практически не допускает глубокой коррозии медного основания и потому используется как защитный барьер.
Почему температура растёт незначительно
Появление интерметаллидов действительно меняет теплопроводность границы контакта, но не приводит к резкому ухудшению охлаждения. Для сравнения: теплопроводность меди составляет примерно 390–400 Вт/(м·К), исходного галинстана — 35–70 Вт/(м·К), а CuGa2 — около 100 Вт/(м·К). Последний показатель примерно в четыре раза ниже медного, но всё ещё значительно выше теплопроводности обычных кремнийорганических термопаст, для которых приводится диапазон 8–15 Вт/(м·К).
На никелированных поверхностях теплопроводность NiGa5 ниже, чем у CuGa2, однако малая толщина слоя ограничивает его влияние на тепловое сопротивление. Поэтому даже после полного отвердевания жидкого металла температура процессора под нагрузкой обычно увеличивается незначительно.
Что происходит со временем
Чтобы исключить влияние кислорода и образование оксида галлия, образцы выдерживали в вакуумной камере и в боксе с азотной атмосферой. Через час после нанесения сплав оставался полностью жидким. Спустя два месяца жидкая фаза визуально исчезла, уступив место кристаллам интерметаллида. Контрольное исследование через два года показало, что процесс остановился: структура и толщина слоя больше не менялись.
Повторно расплавить образовавшийся CuGa2 в обычных условиях эксплуатации компьютера нельзя: температура его плавления составляет около 254 °C. Поэтому затвердевший слой не возвращается в исходное жидкое состояние при нагреве процессора.
Что это означает для пользователей
Механически соскребать образовавшуюся корку не рекомендуется: вместе с ней можно повредить подошву кулера. Для очистки применяют специальные полировальные пасты, которые химически ослабляют связь интерметаллида с металлом и позволяют снять налёт аккуратнее.
Из-за химической активности жидкий металл остаётся специализированным инструментом, прежде всего для оверклокинга и систем, где важна максимальная эффективность теплоотвода. Более безопасной альтернативой становятся графитовые и графеновые прокладки, например KryoSheet. Они могут уступать галлиевым составам несколько градусов, зато не вступают в реакцию с металлическими поверхностями. Дополнительным ограничением для жидкого металла стала стоимость галлия: за последние пять лет она выросла примерно с 300 до 2500–3000 евро за килограмм.
