A folyékony fém nem szárad ki, hanem kémiai reakcióba lép a hűtő felületével. Ezt mutatja meg részletesen der8auer, vagyis Roman Hartung, a Thermal Grizzly alapítója legújabb videójában. Elektronmikroszkóppal két éven át követte, mi történik a folyékony fémmel egy rézfelületen, és elmagyarázza, mitől „keményedik meg” a pasztát helyettesítő ezüstös réteg a hűtőkön.

A téma egy PC Games Hardware fórumbejegyzésből indult. Egy felhasználó 2018-ban egy Aqua Computer vízblokkot használt folyékony fémmel egy Skylake-X processzoron, és a réz hűtőtalpon azóta ezüstös, megszilárdult maradványokat talált. Azt kérdezte, eltávolíthatja-e ezeket a Thermal Grizzly új polírozópasztájával.

Mi az a folyékony fém, és miért drágul ennyire?

A PC-s folyékony fém egy fémötvözet, amelynek fő összetevője a gallium, emellett indium, gyakran ón is van benne. Mindhárom fém szilárd szobahőmérsékleten, de megfelelő arányban összeolvasztva olyan úgynevezett eutektikus ötvözetet adnak, amely szobahőmérsékleten folyékony marad. A gallium olvadáspontja nagyjából 30 °C. Ennél alacsonyabb csak a céziumé és a higanyé, de a cézium azonnal reagál a levegővel, a higany pedig erősen mérgező, így a PC-be csak a nem mérgező gallium jöhet szóba.

Az ára közben elszállt. Hartung szerint a világ galliumkészletének 98%-a Kínából származik, Kína pedig az elmúlt két évben gyakorlatilag leállította a kivitelét. Amikor a Thermal Grizzly elkezdte gyártani a folyékony fémet, kilónként nagyjából 300 euróért vették a nyers galliumot, ma 2500–3000 eurót kell fizetni érte, öt év alatt tehát közel a tízszeresére drágult. A beszerzés is egyre nehezebb, és Hartung arra számít, hogy jövőre 4000–5000 euró lehet egy kiló gallium.

A folyékony fém iránt közben az ipar is egyre jobban érdeklődik, mert nő a chipek teljesítménysűrűsége, vagyis az egy négyzetmilliméterről elvezetendő hő. Hartung szerint az RTX 5090-nek kétszer annyi hőt kell ugyanakkora felületről leadnia, mint a 2006-os 8800 GTX-nek, az RTX 5080-nál ez a szorzó már háromszoros. Az adatközpontokban is ez a gond.

Az alumínium szétesik, a réz reagál

Alumíniummal tilos használni, és a videó meg is mutatja, miért. A gallium az alumínium kristályszemcséinek határai mentén beszivárog az anyagba, és meggyengíti a szerkezetét. Ezt szemcsehatár-diffúziónak hívják. Egy 2 mm-es alumíniumlemez felületén már 5 perc után látszott a változás, fél óra múlva pedig minimális erőtől darabokra tört.

Rézzel lassabb és kevésbé látványos a folyamat, de ott is történik valami. Egy csupasz rézhűtőre felvitt folyékony fémet már 5 perc után sem lehetett izopropil-alkohollal vagy acetonnal eltávolítani. A gallium a rézzel CuGa₂ nevű intermetallikus vegyületet képez, amelyben egy rézatom két galliumatomhoz kötődik. Ez szilárd réteg, amely felfelé és lefelé is vastagszik, nagyjából napi 1 mikrométerrel, amíg el nem éri az 50–100 mikrométert. Közben a megmaradt folyékony fémben relatíve túl sok lesz az indium és az ón, ezek is szilárd részeket képeznek. Ezért tűnik úgy, mintha a folyékony fém kiszáradt volna.

Hartung szerint ez nem kiszáradás, mint a hővezető pasztánál, ahol a szilikonolaj idővel kipréselődik. Itt valódi kémiai reakció zajlik: a folyékony fém megvan, csak szilárd vegyületté alakult. A CuGa₂ hővezetése nagyjából 100 W/mK, jóval rosszabb a tiszta rézénél, és csak körülbelül 254 °C-on olvad meg, így üzem közben már nem válik újra folyékonnyá.

Két év az elektronmikroszkóp alatt

A hosszú távú tesztben Hartung 2024. október 17-én folyékony fémet vitt fel egy pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) rézmintára. A mintát vákuumban, illetve nitrogénnel töltött dobozban tárolta, hogy ne oxidálódjon, és rendszeresen lefényképezte ugyanazt a területet. Egy órával a felvitel után még sok volt a folyadék. Két hét múlva apró kristályok jelentek meg, újabb két hét után ezek tovább terjedtek. Két hónap után már csak kristályok látszottak, folyékony fém sehol. Két év után a kép gyakorlatilag ugyanaz volt, mint két hónap után.

A maradványok eltávolítására a Thermal Grizzly speciális polírozópasztát fejlesztett. Hartung szerint véletlenül találtak egy összetevőt, amely csökkenti a gallium felületi feszültségét, így a még folyékony részt könnyebb letörölni, a szilárdat pedig mechanikusan és kémiailag is eltávolítja. A fórumozó 2018-as, azaz 8 éves rétegét nagyjából egy óra polírozással maradéktalanul le tudta szedni.

A nikkel segít, de nem old meg mindent

A nikkelezett hűtőkön a jelenség lassabb, de ott is jelen van. A gallium a nikkellel NiGa₅ vegyületet képez, amely 115 °C-on olvad, így szobahőmérsékleten szintén szilárd. A különbség, hogy ez a réteg csak 1–5 mikrométerig nő, vagyis nagyjából tízszer vékonyabb, mint a rézen kialakuló. A NiGa₅ hővezetése viszont körülbelül ötöde a réz-gallium vegyületének. Hartung összesítése szerint a nikkel a legtöbb esetben így is jobb választás, mert sokkal kevesebb galliumot nyel el, és védi az alatta lévő rezet.

Hogy akkor megéri-e még a folyékony fém? Hartung szerint csak nagyon specifikus esetekben, például kézzel túlhajtott, extrém teljesítménysűrűségű processzoroknál. A kémiai reakció egyszerre a legnagyobb gyengesége és az erőssége is. A paszták és a padek csak fizikailag tapadnak, a felület egyenetlenségeit próbálják kitölteni, a folyékony fém viszont kémiailag kötődik, így sokkal kisebb a hőellenállás. Szerinte a folyékony fémnek az entuziaszták körében a helye, akik vállalják, hogy akár évente újra felviszik.

A Thermal Grizzly közben a grafénalapú megoldásokat fejleszti. Hamarosan jön a KryoSheet új változata, amely közvetlenül a lapkára (direct die) is felhelyezhető, Hartung szerint pedig csak 3–4 fokkal marad el a folyékony fémtől, cserébe nincsenek ilyen mellékhatásai. Jövőre új hűtőbevonatokkal is szeretnének előállni, hogy végre el lehessen hagyni a nikkelt. A grafit- és szénalapú alternatívák más gyártóknál is terjednek, a Noctua például karbon nanocsöves thermal padet hozott Ryzenekhez. Der8auer nem először bontja ki egy hardverprobléma hátterét, nemrég az ASUS ROG Equalizer tápkábel áramelosztását mérte meg. Ha pedig a hagyományos hűtés érdekel, nézd meg az ID-COOLING SL360 V2 PLUS AIO tesztünket.