Жидкометаллические теплопроводящие материалы: полное руководство

Быстрое развитие более быстрых, дешевых и мощных систем обработки данных привело к самым значительным технологическим достижениям в современной истории. Однако физические методы, используемые для повышения вычислительных возможностей (более плотные транзисторы, трехмерная компоновка и более высокие тактовые частоты), привели к образованию серьезного теплового барьера. Поддержание низкой температуры этих мощных электронных устройств является критически важным фактором, определяющим их скорость, эффективность и долговременную надежность.

Благодаря исключительно высокой тепло- и электропроводности, низкой вязкости и превосходной текучести жидких металлов (ЖМ), представляющих собой уникальный класс металлов и металлических сплавов, термоинтерфейсные материалы на основе ЖМ в настоящее время становятся весьма востребованными в широком спектре отраслей промышленности. Эти отрасли охватывают широкий круг направлений: от носимой электроники и терморегулирования до гибких машин и биомедицинского материаловедения.

В этой статье мы расскажем вам о том, почему жидкий металл — это не просто незначительное улучшение, а критически важный элемент для поддержания высокопроизводительных вычислений и преодоления физических ограничений обычных термоинтерфейсных материалов.

Что такое жидкий металл? Наука о сплавах. Жидкий металл при комнатной температуре.

Жидкий металл — это класс металлических сплавов, которые остаются в жидком состоянии при комнатной температуре (или около неё). Этот материал характеризуется сочетанием уникальных свойств, включая высокую электропроводность, теплопроводность, механическую податливость и способность сохранять форму, что делает его предметом целенаправленных исследований и разработок.

Что касается теплоотвода, то жидкометаллические теплопроводящие материалы (LMTIM) представляют собой передовые соединения, обычно на основе сплавов галлия. Они обеспечивают превосходную теплопередачу, заполняя микроскопические зазоры между источником тепла (например, процессором) и охлаждающей жидкостью (например, радиатором). Как правило, теплопроводность этих LMTIM превышает 40 Вт/м·К, что значительно превосходит показатели стандартных смазочных материалов (5-15 Вт/м·К).

Распространенные жидкие сплавы: на основе галлия

1. Ga–In (EGaIn)Эвтектический сплав галлия и индия, обычно называемый EGaIn, ценится как нетоксичная замена ртути в таких областях применения, как термометры и теплообменники. Температура плавления этого уникального жидкометаллического сплава составляет всего 15.7°C. Текучесть и высокая проводимость Ga-In делают его предпочтительным выбором для использования в гибкой электронике и мягкой робототехнике.
2. Ga–In–Sn (Галинстан)Галинстан состоит из галлия, индия и олова. Эвтектическая формула имеет низкую температуру плавления, примерно +11°C, в то время как другие составы могут оставаться жидкими до -19°C. Галинстан, хорошо известный тройной сплав, особенно ценится за свою превосходную тепло- и электропроводность, низкую токсичность и способность смачивать различные поверхности. Это делает его универсальным материалом для охлаждения электронных устройств, печатных проводников и передовых решений в области терморегулирования.

Основные физические характеристики и самовосстанавливающиеся оксидные слои

Уникальность жидких металлов обусловлена ​​несколькими ключевыми характеристиками, среди которых следующие:

• Металлическое соединениеВ отличие от материалов, в которых теплопроводность зависит от фононов (колебания кристаллической решетки), жидкие металлы передают тепло с помощью проводимости свободных электронов, что оказалось гораздо эффективнее, чем даже в твердых металлах.
• Текучесть при температуре, близкой к комнатной.Способность жидкометаллических термоинтерфейсных материалов сохранять свое жидкое состояние позволяет им идеально прилегать к поверхностям, устраняя микроскопические проблемы с воздушными зазорами, возникающие при использовании твердых или пастообразных термоинтерфейсных материалов.
• Высокая теплопроводностьБлагодаря своей металлической природе они обладают на порядок более высокой теплопроводностью, чем обычные термоинтерфейсные материалы на основе полимеров.
• Низкое электрическое сопротивлениеКак и металлы, LMTIM-материалы являются превосходными электрическими проводниками, что является как преимуществом для одних применений, так и существенным недостатком для других.
• Самовосстанавливающаяся оксидная кожаСплавы на основе галлия быстро образуют очень тонкий пассивирующий оксидный слой в присутствии воздуха. Этот оксидный слой и защитная оксидная пленка обладают высоким поверхностным натяжением, что позволяет жидкому металлу сохранять сферическую форму и поддаваться формовке, растяжению и приданию стабильных форм. Это свойство имеет ключевое значение для применения в мягкой робототехнике, растяжимой электронике и гибких схемах.

Соображения безопасности и охраны окружающей среды в сравнении с ртутью.

Наиболее известным жидким металлом является ртуть (Hg) с температурой плавления -38.86 °C. Хотя исторически она использовалась в электронике и медицинских приборах, её чрезвычайная токсичность и высокое давление паров стали предметом строгих нормативных требований. Современные сплавы жидкого галлия резко контрастируют с жидкими металлами на основе ртути. Они предлагают стабильные и более безопасные альтернативы, в частности, нетоксичную среду, что стало одним из главных факторов, приведших к их применению как в потребительских, так и в промышленных целях.

Чем жидкий металл отличается от обычных термоинтерфейсных материалов и жидкометаллических охлаждающих жидкостей?

Традиционные теплопроводящие материалы, широко используемые в системах терморегулирования, по своей природе ограничены относительно низкой теплопроводностью. Жидкометаллические теплопроводящие материалы являются отличной альтернативой традиционным. Они могут значительно снизить тепловое контактное сопротивление. Поэтому важно различать жидкометаллические теплопроводящие материалы от традиционных теплопроводящих материалов и других жидкометаллических охлаждающих жидкостей.

Жидкий металл против термопасты и смазки

Хотя оба вещества обычно применяются в качестве жидкостей и используются для высокопроизводительных вычислений, их фундаментальные свойства кардинально различаются.

• Механизм проводимости

Основное различие между термоинтерфейсными материалами на основе жидкого металла и термопастой заключается в механизмах проводимости. Традиционные термопасты представляют собой полимерные матрицы, заполненные мелкодисперсными теплопроводящими, но электрически изолирующими частицами керамики или металла. С другой стороны, жидкий металл — это однородная металлическая жидкость, обеспечивающая прямую и значительно превосходящую металлическую проводимость.

• Эффективности

Теплопроводность жидкого металла значительно выше и обычно составляет от 40 до 80 Вт/м·К. Теплопроводность обычных термоинтерфейсных материалов составляет около 5-15 Вт/м·К. В результате термоинтерфейсные материалы с низким теплопроводностью (LMTIM) могут передавать тепло гораздо эффективнее, обеспечивая снижение температуры на 10-20°C при работе с процессорами с высоким TDP.

• Риски

Поскольку жидкие металлы проводят электричество, утечка может привести к катастрофическим коротким замыканиям. Более того, сплавы на основе жидкого галлия склонны к коррозии, особенно алюминиевых радиаторов. По этой причине мы настоятельно рекомендуем использовать жидкий металл только с медными или никелированными радиаторами.

• Долгосрочная стабильность:

В отличие от некоторых термопаст, которые могут высыхать во время термических циклов, правильно нанесенная жидкая металлическая паста невероятно стабильна. Жидкометаллические термоинтерфейсные материалы способны сохранять свои характеристики без изменения вязкости.

Жидкий металл против термопрокладок

Начнем с того, что, хотя оба материала и снижают тепловыделение в электронных устройствах, они делают это совершенно разными способами. Таким образом, каждый из них обладает свойствами, которые делают тот или иной материал уникальным для конкретных областей применения.

• Производительность против практичности

Это компромисс между минимально возможным тепловым сопротивлением и простотой сборки. Термопрокладка обеспечивает непревзойденную простоту, чистоту и гарантированную электрическую изоляцию. Жидкий металл на своем конце обеспечивает максимальную тепловую эффективность.

• Границы приложений

Термопрокладки идеально подходят для заполнения больших, менее однородных зазоров, например, между микросхемами памяти или VRM и их радиаторами. Жидкий металл подходит только для сверхтонкого, строго контролируемого пространства между кристаллом/теплораспределительной крышкой и более холодной пластиной.

Основные тепловые свойства и преимущества жидкометаллических термоинтерфейсных материалов

Жидкие металлы обладают свойствами, которые выделяют их среди традиционных теплопроводящих материалов. В этом разделе мы рассмотрим некоторые свойства , которые лежат в основе потенциала жидких металлов в качестве передовых теплопроводящих материалов.

• Чрезвычайно высокая теплопроводностьЖидкие сплавы, теплопроводность которых обычно составляет от 20 до 80 Вт/м·К, обладают большей теплопроводностью, чем обычные термопасты. Это помогает снизить температуру в местах соединения на несколько градусов Цельсия.
• Близкий контакт металла с металломНевероятная смачиваемость поверхности жидким металлом обеспечивает прямой контакт, минимизируя тепловое сопротивление. Это идеально подходит для процессоров с высоким TDP или для систем с разгоном.
• Тонкая линия склейкиЖидкометаллические термоинтерфейсные материалы естественным образом образуют очень тонкий, конформный слой, что гарантирует отсутствие микроскопических воздушных зазоров, которые могли бы ухудшить характеристики.
• Превосходное распределение теплаКогда необходимо использовать термоинтерфейсную мембрану (ТИМ) в приложениях с чрезвычайно высоким тепловым потоком, жидкий металл является наиболее предпочтительным вариантом. Это связано с тем, что ТИМ легко проводят тепло через границу раздела и распределяют его в поперечном направлении. Эта уникальная функция снижает интенсивность центральных горячих точек на кристалле процессора.
• Стабильность производительности при высокой нагрузкеВ отличие от некоторых материалов, которые могут разрушаться при высоких и длительных температурах, жидкий металл сохраняет свои общие характеристики без изменения вязкости. Это делает его идеальным для центров обработки данных и рабочих станций, подверженных большим и непрерывным нагрузкам.

Типичные области применения жидкометаллических термоинтерфейсных материалов

Благодаря уникальному жидкометаллическому составу, присущему этим сплавам, и их способности оставаться жидкими при комнатной температуре, термоинтерфейсные материалы на основе жидких металлов чрезвычайно универсальны и применимы в самых разных областях, особенно в тех случаях, когда абсолютная тепловая эффективность не подлежит обсуждению. Термоинтерфейсные материалы на основе жидких металлов используются в устройствах из самых разных отраслей промышленности, от игровых систем Sony PlayStation до ноутбуков Dell Alienware и высокопроизводительных центров обработки данных.

Профессиональные и промышленные системы

Термоинтерфейсные материалы на основе жидких металлов используются в бесшумных промышленных ПК без вентиляторов, а также в мощных рабочих станциях, где надежность при длительной нагрузке имеет первостепенное значение. Они обеспечивают необходимый тепловой запас для стабильной и долговременной работы.

Несмотря на жесткие конструктивные ограничения, в настоящее время изучается возможность использования жидкометаллических термоинтерфейсных материалов в передовой авионике, радиолокационных системах и оружии направленной энергии. По данным Yahoo! Finance, ожидается, что рынок терморегулирования в аэрокосмической отрасли будет расти со среднегодовым темпом роста в 2.7% в период с 2025 по 2032 год. Высокая проводимость жидкого металла также используется в производстве антенн 5G в сочетании с микросенсорами на основе оксида индия-олова и даже в качестве основы для самовосстанавливающихся схем.

В результате перехода мира на электромобили возникли серьезные проблемы с терморегулированием. Крайне важно обеспечить оптимальную работу систем терморегулирования батарей. Исследование показывает, что рынок систем терморегулирования электромобилей, как ожидается, достигнет новых высот в ближайшие месяцы, с вероятным среднегодовым темпом роста в 16.7% к 2028 году, а рыночная доля решений для жидкостного охлаждения, как ожидается, существенно увеличится.

Потребительская электроника и перспективные носимые электронные устройства

Для энтузиастов ПК жидкий металл — это золотой стандарт. Типичный высококачественный металлический термоинтерфейс обладает теплопроводностью более 70 Вт/м·К. Использование жидкометаллического термоинтерфейса между интегрированным теплораспределителем (IHS) и радиатором процессора значительно повышает эффективность охлаждения, снижая температуру примерно на 10-20°C.

Для эффективного отвода огромного количества тепла, выделяемого мощными процессорами в игровых консолях и ноутбуках, такие производители, как Sony и Asus, часто используют жидкий металл в качестве стандартного термоинтерфейсного материала в своих высококачественных продуктах.

Например, игровые ноутбуки с процессором i9-13980HX, использующие термопасту на основе жидкого металла, могут достигать стабильной выходной мощности до 163 Вт, поддерживая при этом температуру около 90 °C. Это невозможно с альтернативными вариантами, использующими жирные пасты. Согласно исследованиям Asus ROG, термопаста на основе жидкого металла может быть до 17 раз эффективнее в охлаждении процессоров/видеокарт, чем традиционная термопаста.

Платформы для ИИ, высокопроизводительных вычислений и центров обработки данных

Именно здесь жидкий металл становится ключевой технологией. Плотность мощности современных ускорителей ИИ и высокопроизводительных вычислительных процессоров может превышать 2 Вт/мм², создавая локальные зоны перегрева выше 100 °C. В подобных приложениях физические пределы традиционных решений для охлаждения достигают максимума. Следовательно, термоинтерфейс на основе жидкого металла перестает быть просто вспомогательным слоем и становится определяющим фактором производительности системы.

Для упрощения и снижения энергопотребления центры обработки данных все чаще внедряют решения с прямым жидкостным охлаждением. В таких системах, где тепло передается на охлаждаемую жидкостью холодную пластину, термоинтерфейсный материал (ТИМ) имеет решающее значение. Лимонадный материал обеспечивает наиболее эффективную передачу тепла от корпуса микросхемы к холодной пластине, максимизируя общую эффективность системы.

Инженерные проблемы и поверхностное натяжение жидкометаллических термоинтерфейсных материалов

Несмотря на неоспоримые преимущества LMTIM-материалов, они представляют собой серьезные инженерные проблемы, которым необходимо уделять внимание.

Коррозия и совместимость материалов 

Наиболее потенциально разрушительной проблемой является совместимость материалов. Хотя жидкие металлы на основе галлия обладают исключительной теплопроводностью, они химически агрессивны.

Основная проблема связана с алюминием и его сплавами. Галлий активно растворяет защитный слой оксида алюминия (Al₂O₃), который обычно делает алюминий пассивным и коррозионностойким. После разрушения этого слоя начинается химическая реакция, и жидкий галлий быстро диффундирует вдоль границ зерен алюминия. Последующий процесс коррозии приводит к быстрому и катастрофическому металлургическому разрушению.

Как это решить :

Самое простое решение — полностью избегать прямого контакта с несовместимыми материалами. Для поверхностей, контактирующих с жидким металлическим термоинтерфейсным материалом, используйте только стандартную для отрасли бескислородную медь или никелированную медь. 

Поток, откачка и локализация

Та же самая текучесть, которая позволяет жидкому металлу образовывать идеальную границу раздела фаз, также затрудняет его контроль. В условиях сильной вибрации, например, в ноутбуках и автомобильных системах, удержание капель жидкого металла точно там, где это необходимо, представляет собой серьезную проблему.

Вследствие высокой плотности и низкой вязкости жидкометаллические материалы склонны к миграции под воздействием механических ударов. Если капля жидкого металла отрывается от границы раздела фаз, она может переместиться на значительное расстояние внутри устройства.

Как это решить :

Для решения этой инженерной проблемы с жидкими металлами необходимо создать физический барьер вокруг обрабатываемой области, чтобы удержать вещество. Часто это делается с помощью точно вырезанной прокладки из пенополиуретана с закрытыми порами (например, Poron® ) или высокотемпературного полимера.

Электропроводность и системные риски

Это наиболее распространенный риск при сборке и эксплуатации. Жидкометаллические термоинтерфейсные материалы по своей природе являются высокопроводящими металлами. Одна неправильно расположенная капля жидкого металла, соединяющая два компонента или компонент с заземляющей плоскостью, создаст короткое замыкание с низким сопротивлением, что приведет к необратимому повреждению процессора.

Как это решить :

С участием-

1. Точное автоматизированное дозирование
2. Конформное покрытие и маскирование
3. Механический зажим

Вопросы производства, надежности и жизненного цикла

Для полной оценки характеристик теплопроводящего материала необходимо учитывать его долговечность в долгосрочной перспективе. На него могут влиять такие факторы, как давление нагрузки, температура окружающей среды и влажность. На этапе проектирования также необходимо учитывать такие важные вопросы, как смачиваемость и коррозия.

В процессе производства, особенно при массовом выпуске, необходимо использовать автоматизированные и точные системы дозирования для нанесения необходимого количества термоинтерфейсного материала. Это помогает обеспечить стабильность и контроль выхода годной продукции.

Кроме того, крайне важно, чтобы каждый продукт, в котором используются термоинтерфейсные материалы на основе жидких металлов, проходил строгие испытания на термическое и вибрационное воздействие, а также долгосрочные испытания на надежность. Это делается для обеспечения непрерывной работы термоинтерфейсного материала в течение длительного периода времени.

Когда жидкий металл — неподходящее решение

Несмотря на свои невероятные характеристики, жидкий металл не является решением всех проблем, связанных с перегревом, особенно в следующих случаях:

• ДоступностьЖидкий металл значительно дороже традиционных термоинтерфейсных материалов. Если вы работаете с маломощными компонентами или продуктами, чувствительными к стоимости, термоинтерфейсные материалы на основе жидкого металла не являются идеальным вариантом.
• Сложность сборкиЖидкий металл не подходит для применений, связанных с большими, нерегулярными пространствами или требующих простого процесса сборки.
• Вспомогательные компонентыТермопрокладки и термопасты остаются необходимыми для охлаждения окружающих компонентов, таких как память, VRM и чипсеты, где электрическая изоляция важнее, чем достижение минимально возможного теплового сопротивления.

Перспективы развития материаловедения в области теплопроводности жидких металлов

Глобальная исследовательская среда демонстрирует сосредоточенные усилия на преодолении ограничений жидких металлов в отношении их механических свойств. Исследования показывают постоянный рост исследований в области охлаждения с использованием жидких металлов за последние пять лет. В ближайшие годы ожидаются значительные изменения в следующих аспектах термоинтерфейсных материалов на основе жидких металлов:

Фазовые переходы и гибридные материалы

В результате недавних исследований Intel мы получили гибридную архитектуру термоинтерфейсной пленки (TIM), которая сочетает расплавленный металл в центре с эластичным силиконовым клеем по краям. Конструкция удерживает жидкий металл, а термоинтерфейсная пленка принимает форму корпуса. Этот гибридный подход показывает, что будущее не только в характеристиках сырья, но и в том, насколько грамотно интегрированы системы.

Реологическая настройка и состав композитных материалов

Продолжаются исследования по созданию композитов из жидких металлов и улучшению их реологических свойств (текучести) с целью снижения риска миграции при сохранении высокой проводимости и улучшении механических свойств этих мягких материалов.

Бесконтактное склеивание

Конечная цель — разработка решений, которые создают прямое, бесконтактное тепловое соединение между чипом и радиатором, полностью исключая необходимость использования отдельного термоинтерфейсного материала.

Заключение

Жидкий металл — это не универсальная замена другим термоинтерфейсным материалам, таким как термопрокладки и термопаста , каждый из которых имеет свои специализированные области применения, а скорее стратегическое и перспективное решение для самых экстремальных тепловых задач. Его роль в обеспечении стабильной производительности при плотности мощности, которая ранее считалась невозможной, делает его краеугольным камнем вычислительной техники следующего поколения.

Хотя традиционные термоинтерфейсные материалы, такие как термопаста и припой, остаются востребованными, низкотемпературные термоинтерфейсные материалы (LMTIM) обеспечивают значительный прирост производительности благодаря своей высокой тепло- и электропроводности, гибкости и низкой температуре плавления. Свяжитесь с нашей командой экспертов в JIUJU сегодня, чтобы получить бесплатное предложение на высококачественные термоинтерфейсные материалы для вашей продукции.

Наши возможности тестирования

Почему эти данные отличаются от отзывов?

Типичный метод обзора : Обычный энтузиаст или обозреватель наносит жидкий металл на свой процессор, собирает систему и запускает программное обеспечение или игру в качестве бенчмарка. Затем обозреватель измеряет температуру процессора, сообщаемую его внутренними датчиками. Хотя это полезно для общего представления, этот метод очень чувствителен и подвержен влиянию таких переменных, как давление при монтаже, температура окружающей среды, скорость вращения вентилятора системы охлаждения и конкретная архитектура ПК.

Наш метод : Мы используем стандартизированные методы испытаний, признанные на международном уровне Американским обществом по испытанию материалов (ASTM), которые проводятся в строго контролируемых лабораторных условиях. Наше оборудование, изолируя сам материал, измеряет его ключевые тепловые свойства в различных, воспроизводимых условиях.

Разница : Благодаря нашему методу мы можем предоставить вам объективные, научные, проверяемые и сопоставимые данные. В то время как снижение температуры на 10°C, отмеченное и зафиксированное одним из рецензентов, является лишь косвенным показателем, заявленная нами теплопроводность в 75 Вт/м·К — это проверяемое физическое свойство. Эти данные инженерного уровня позволяют нашим партнерам точно моделировать тепловые характеристики в своих симуляциях и быть уверенными в том, что наши материалы обеспечат стабильную работу.

Почему стоит доверять этому руководству?

На рынке, где распространены различные мнения, истинная экспертиза рождается из опыта. Это руководство не является пересказом или копией статей, которые можно найти в интернете; оно напрямую отражает глубокие практические знания, накопленные в лабораториях JIUJU, в которых работают более 100 технических специалистов отдела исследований и разработок. Обладая более чем 20-летним опытом и подкрепленными сертификатами высшего уровня, такими как ISO 9001 и IATF 16949, мы являемся надежным партнером по управлению тепловыми процессами для более чем 500 компаний по всему миру.