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迟来的巨人 液态金属如何改变散热行业?
发布时间:2018-07-23 丨 阅读次数:1616

在经历了前段时间一些列硅脂、液态金属导热剂的测试,得出的结果领笔者侧目,市场上绝大部分的高端硅脂在处理器睿频(120W功耗)下温差最高不过5摄氏度。而液金在相同的配置下则可以直接拉开十摄氏度左右的差距,但液金并不是什么新鲜东西,此前一直在高端领域活跃,近几年才出现在大众的视线里。



液态金属导热剂在民用之前,常用与高能量密度的界面,比如舰载激光炮,激光切割器,又或者在核电站里作为换热液体。而最近几年产出的比特币矿机有的也在用液态金属导热剂在界面上。



部分比特币矿机在使用铋基合金导热


液态金属导热剂一般分为两种,镓基合金与铋基合金,镓基合金制作的液态金属导热剂一般都是常温液态,比如开盖常客酷冷博。铋基合金一般为常温固态,应用在导热剂的产品里就是液态金属导热片。



传统硅脂已经达到极限


大家都知道,导热系数是作为导热剂的一个重要指标,直接影响导热效果,即使散热器强大到无法想象,但没有一个性能强悍的导热剂也是事倍功半。在DIY中最常见的导热剂就是硅脂,目前技术非常成熟,已经非常广泛的应用在需要散热的领域。

但硅脂再强,目前最高导热系数的也仅仅是酷冷至尊的纳米钻石导热硅脂和LT COOLING黑管硅脂,导热系数达到了11w·mk,是目前零售市场上已知导热系数最高的硅脂(暴力熊经实测证明导热系数为虚标)。

我们都知道硅脂导热原理是填充到界面之间的缝隙里,让导热面积更大,而硅脂里面的硅油起的是束缚填料的作用,填料为主要导热介质,颗粒的大小直接影响界面之间的填充效果,目前比较细的填料也仅为纳米级别。


硅脂填充效果


而为了安全考虑,硅脂的导电性必须很弱,所以目前在氧化铝填料的基础上会适量添加一些银与铝来提升导热性能,但发挥的作用也非常有限,因为最小颗粒物仍然无法达到完全填充缝隙的水平。



液态金属的优势


即使传统硅脂不在意导电性,完全使用金属粉末也是无济于事的,毕竟最小颗粒物的尺寸摆在面前,从微米提升到纳米的成本会成倍的增加,但性能并不会很强。

上过出众物理的都知道,金属是由原子直接构成的,原子之间由金属键进行连接,由于镓原子的外层只有3个电子,因此原子之间的束缚力非常弱,所以镓基合金在常温下才能处于液态。


镓原子结构


正是由于这种较弱的束缚力,才能让镓原子渗透到界面的微孔之中,镓原子的共价半径为128pm(皮米),也就是0.128nm(纳米),比一般硅脂的颗粒小了至少两个量级。


液金填充效果


因此镓原子才能几乎以完美的渗透力达到惊人的填充效果,无论是研磨还是电解制得的其他金属颗粒都无法与这种天然的优势相比。即使高纯金属镓的导热系数为30W·mk左右,依然会比导热系数高达400+的银填料制品效果好很多。



液金的劣势与使用范围


正是由于这种高渗透性镓基合金不能与铝制品接触会产生互溶现象,形成共融混合物,使铝基合金与镓基合金产生的新合金熔点降低,发生铝脆现象。因此就限制了其在很多设备上的应用。

镓会把铝合金设备虐惨(图片来源于百度)


而在DIY领域,铝合金散热器将无法使用其作为导热剂,除此之外,镓基合金不会与其他金属发生反应。在散热器中另一种常见的物质就是铜,而铜底散热器能够轻松买到,除非是低端散热器依然会使用铝合金底座固定热管。


热管直触一般都会接触到铝


纯铜底散热器则可使用



镀镍铜底也没有问题


镓基合金与铋基合金不会腐蚀硅芯片以及镀镍铜的CPU顶盖,网传所谓的腐蚀仅仅是因为镓基合金渗透到CPU或硅芯片表面比较深,较难清理因此才会被误认为是腐蚀导致的。笔者在测试过程中也发现了一些方式让液金比较好清理。即在使用过液金的表面上喷涂酒精或其他清洁剂,用软纸巾轻轻擦拭,已经沾染液金的纸巾要扔掉,擦拭动作要为一个方向,不能反复擦拭,重复多次后即可将液金在CPU表面清理干净。在压力下液金会更加深入界面缝隙,因此不要妄图用力擦掉。

目前液态金属导热剂在CPU开盖上应用最广,目的是强化硅芯片与顶盖之间的导热介质性能。其实小心操作的情况下也完全可以用在顶盖与显卡上。在尺寸有限的设备内,比如笔电与显卡扩展坞完全可以使用液金来代替导热硅脂增加导热性能。而追求稳定性与散热的服务器使用液态金属后,可以在降低温度的同时还降低散热风扇转数,能够做到降温省电的效果。



液态金属导热剂是未来的趋势


在未来,随着液态金属使用方式的研究更加成熟,很多需要散热的消费级或企业级的设备会越来越多的选择液态金属作为导热剂,随之变化的就是设备尺寸的缩小,或原尺寸下性能变得更强都将成为可能。



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