Бытует мнение, что жидкий металл (TIM) со временем «высыхает», из-за чего система охлаждения теряет эффективность, а сам термоинтерфейс превращается в сухой «порошок». Инженер Роман Хартунг (известный под ником der8auer) совместно с компанией Thermal Grizzly GmbH провел двухлетний эксперимент. Образцы контактных пластин с нанесенным жидким металлом изучали с помощью электронного микроскопа.
Результаты показали, что никакой усушки или испарения не происходит. Жидкий металл меняет агрегатное состояние в результате диффузии с металлом контактных поверхностей, образуя твердые интерметаллические соединения.
Динамика взаимодействия с металлами
В качестве жидкого металла в системах охлаждения используется эвтектический сплав галлия, индия и олова (галинстан) с температурой плавления около 11°C. Главным химически активным компонентом в этой связке выступает галлий.
При контакте с алюминием галлий легко разрушает защитную оксидную пленку и стремительно мигрирует по границам зерен кристаллической решетки. Это вызывает межкристаллитную коррозию и «охрупчивание». В ходе эксперимента двухмиллиметровый лист алюминия полностью потерял прочностные характеристики и стал хрупким всего за 30 минут. Именно поэтому использование галлиевых сплавов с алюминиевыми радиаторами недопустимо.
На медных поверхностях происходит иная реакция. Галлий вступает в твердофазную реакцию с медью, формируя CuGa2. Процесс диффузии идет со скоростью около 1 мкм в сутки при комнатной температуре и ускоряется при нагреве. В зависимости от объема нанесения и температуры толщина слоя CuGa2 стабилизируется на отметке от 50 до 100 мкм. Оставшиеся индий и олово образуют отдельную твердую фазу, за счет чего весь интерфейс визуально выглядит «высохшим».
Никелевое покрытие действует как диффузионный барьер. На никелированной меди галлий образует интерметаллид NiGa5. Этот слой растет значительно медленнее и останавливается на толщине всего 1–10 мкм. Никелирование практически полностью предотвращает глубокую коррозию медного основания.
Про теплофизику
Образование интерметаллидов меняет теплопроводность на границе раздела сред, но не приводит к катастрофическому перегреву. Коэффициент теплопроводности чистой меди составляет порядка 390–400 Вт/(м·К), а исходного эвтектического сплава — от 35 до 70 Вт/(м·К). Сформировавшийся интерметаллид CuGa2 имеет показатель около 100 Вт/(м·К).
Хотя теплопроводность CuGa2 примерно в четыре раза ниже, чем у чистой меди, значение в 100 Вт/(м·К) все равно на порядок превосходит параметры традиционных кремнийорганических паст (8–15 Вт/(м·К)). Этим объясняется тот факт, что даже после полного отвердевания жидкого металла температура процессора под нагрузкой возрастает незначительно. На никелированных поверхностях теплопроводность фазы NiGa5 ниже, чем у CuGa2, однако из-за небольшой толщины слоя (до 10 мкм) итоговое паразитное тепловое сопротивление остается минимальным.
Чтобы исключить влияние атмосферного кислорода и образование оксида галлия, тестовые образцы выдерживались 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, полностью уступая место кристаллам интерметаллида. Контрольный замер через два года показал стагнацию процесса: структура и толщина слоя не изменились. Поскольку температура плавления CuGa2 составляет 254 °C, расплавить его повторно в условиях работы ПК невозможно.
Что это значит с точки зрения эксплуатации
Механическое скобление корки опасно — так легко повредить подошву кулера. Поэтому для очистки применяют специальные полировальные пасты, которые химически ослабляют связь интерметаллида с металлом и позволяют аккуратно удалить налет без повреждения поверхности.
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. Хотя они уступают галлию несколько градусов, они не вступают в реакцию с металлами. Нужно еще учитывать, что цена галлия за последние пять лет выросла почти в десять раз, поднявшись с 300 € до 2500–3000 € за килограмм.
