液態金屬散熱膏誰最強?最好?最推薦?5+1 款產品集體評測、原理懶人包一網打盡 「一般散熱膏添加金屬微粒提升熱傳導係數,那麼散熱膏全部都是金屬該有多好!」自從 Intel Haswell 世代產品帶起開蓋上液金的風潮,液態金屬散熱膏(導熱膏)至今已蓬勃發展,PCADV 電腦王這篇除了產品比較測試,更有原因與原理的深入探討,突破都市傳說迷思。

流動性、熱導率

高效能晶片通常也會伴隨著廢熱,若是此廢熱無法依靠晶片封裝與電路板自然散發至空氣之中,我們就會替這個晶片加裝散熱片,加大與空氣接觸的面積。若是加大面積仍無法應付接連產生的廢熱,則可加上風扇加強空氣對流。無論是一般的氣冷/空冷散熱器,或者是水冷散熱器,都脫離不了這基本原理。

由於晶片與散熱器相互接觸的介面並不完美,導致廢熱並無法很好地傳遞,因此多數時候均會塗佈稱之為散熱膏(導熱膏)的熱介面材料。一般而言,散熱膏主要成分為矽油和氧化矽的混合體,也就是大家經常看到俗又大碗的白色散熱膏。若要加強熱傳導效率,可於散熱膏混入其它磨成粉末狀的材質,如銅、銀、金、鑽石、石墨……等。

一般散熱膏成分為矽油和氧化矽,因此外觀呈現白色,若是加入其它金屬氧化物加強熱導率,則大多呈現灰黑色。

若想將熱傳導率最大化,那是不是將散熱膏當中的金屬成分最大化即可?金屬成分最大化的情況,就是內容物百分百由金屬組成;金屬成分最大化,需要解決的問題即為易用性,絕大多數金屬於常溫呈現固態,少數金屬或合金於常溫下為液態,這些材質才適合交由消費者於實際應用時塗抹。

液態金屬≠液態金屬

許多人對於液態金屬的印象,除了俗稱水銀的汞以外,應該都是從乳摸傳得沸沸揚揚的 iPhone 外殼而來,這個都市傳說結果僅有於 SIM 退卡針使用。在正式進入本篇主題之前,有必要先釐清坊間這個「液態金屬」是什麼東西?以免和本篇主題傻傻混在一起,總是搞不清楚。

一般所謂的「液態金屬」,指的是在室溫或是接近室溫呈現液態的金屬,如汞(熔點−38.83°C)、銫(熔點 28.44°C)、鎵(29.76℃)、銣(39.31℃)等,iPhone 包裝附贈的 SIM 退卡針拿在手中顯然不會熔化,那為什麼可以稱之為「液態金屬」?這得要從該金屬合金的製備法說起。

多數金屬或是合金需要加熱至熔融狀態,或是加熱至接近熔融的溫度,才方便於製造過程塑型,冷卻定型後方便使用。一般製程的冷卻時間較長,金屬緩慢降溫時內部會逐漸形成晶格固定下來,但原子與原子之間形成晶格同時於多處發生,因此金屬緩慢冷卻後,內部晶格方向並不一致。冷卻速度越快,金屬內部晶格越小,具有較佳的剛性、較低的延展性;冷卻速度越慢,內部晶格越大、具有較低的剛性、較高的延展性。

金屬緩慢冷卻過程中,於內部多處同時形成晶格,晶格的大小可以影響該金屬冷卻後的性質。

了解金屬、合金內部具有晶格狀態特性後,讓我們把焦點移回 iPhone 的 SIM 退卡針,該退卡針採用特殊的合金配方(以鋯為基礎),使其內部更不易形成晶格結構,稱之為 amorphous 非晶質,因此具有比鈦更為堅硬的特質。

發明該合金成分比例的機構為加州理工學院,而後組成 Liquidmetal Technologies 公司,該合金則被稱為 Vitreloy,因此 Liquidmetal Technologies 所製造的金屬在常溫下並不是液態,Liquidmetal 僅作為行銷名詞之用,雖然中文都稱之為液態金屬,但跟本篇所要探討的東西完全不同。

汞、銫、鎵、銣選誰好?

說到室溫下為液態的金屬,多數人的第一個想法均為俗稱「水銀」的汞,不過汞對於生物而言具有毒性,將其密封於玻璃管的水銀溫度計已甚少使用,更別說是可能直接接觸到人體的散熱膏,因此汞雖然符合作為散熱膏的要件,卻因為其毒性而被排除在外。

如上所言除了汞之外,鹼金屬的熔點通常較低,例如銫、鎵、銣等 3 種金屬為潛力股,熔點分別為 28.44°C、29.76℃、39.31℃(鍅的熔點為 24℃,但是半衰期只有 22 分鐘,放射性極高!)。首先評估各金屬的毒性,銫對生物具有少量的毒性,銣雖然會被生物吸收,但並沒有明確的利用機制;安全性反而是銫與銣實際應用最大的缺陷,這 2 種金屬活性相當好,暴露在空氣中容易氧化,銫甚至能夠自燃,因此僅剩下對生物沒有毒性、使用上也較為安全的鎵。

由於鎵合金熔點可低至 10℃ 以下,使用上也比較安全,成為市面多數液態金屬散熱膏的首選。

鎵的熔點為 29.76℃,若要作為散熱膏使用則略高,總不能在夏天組裝電腦,冬天放假半年吃自己(又不是薑母鴨),幸好已知鎵與其它許多種金屬的合金能夠降低熔點(常見的材質為銦、錫),熔點也可以經過調整合金配方比例微調,於是乎目前市面上所有的液態金屬散熱膏,幾乎都是採用以鎵為基底的合金成分。

不同比例的鎵合金熔點列表。

Intel 成液態金屬散熱膏推手

鎵合金熔點比室溫 25℃ 還要低的特性,並不是這幾年才被世人所發現,市場上卻是近期才由多家廠商推出液態金屬散熱膏,箇中原因得拜 Intel 之賜。Intel 於 Haswell 微架構世代桌上型處理器,處理器封裝內部晶粒與 IHS(Integrated Heat Spreader)接觸的 TIM(Thermal Interface Material)熱介面材料,過往使用低溫焊錫,該世代卻使用一般的矽基散熱膏。

目前 AMD 和 Intel 於中、低價位產品,處理器封裝內部晶粒與 IHS 金屬上蓋均有使用矽基散熱膏。

雖然說 Haswell 世代產品的發熱量,封裝內部熱介面材料變更為矽基散熱膏也足以應付,但消費市場仍有 K 版超頻、S 版被動散熱的需求,遑論 TDP 不變的情況之下,製程微縮發熱密度更集中。有需求就有供給,加上一般消費者不容易控制低溫焊錫所需環境,遂以鎵合金液態金屬散熱膏替代之,也開啟了「開蓋上液金」的風潮。

豬怕肥、鋁怕鎵

液態金屬散熱膏優點多多,不僅熱傳導係數更高,同時保有矽基散熱膏室溫即可塗抹施作的優點,對於生物也沒有什麼毒性(接觸皮膚時會變黑,請以清水沖洗即可),但總該有些缺點,否則消費市場早就被液態金屬散熱膏所佔據,矽基散熱膏早該洗洗睡下架去。

液態金屬散熱膏顯而易見的缺點,即是金屬本身的導電性,一旦洩漏至電路板,甚至比水冷系統漏水更為致命。實務建議做法為確實塗抹,使用棉花棒推開液態金屬散熱膏,直到完整覆蓋整個晶片,而非傳統矽基散熱膏的中央一粒米法則。液態金屬散熱膏塗抹完畢之後,最好同時於晶片四周塗抹 1 圈矽基散熱膏,作為液態金屬不幸外洩時的第一道防火牆。

由於液態金屬散熱膏具備導電性,建議於塗抹施作區域外圍再加上 1 圈矽基散熱膏,避免液態金屬外溢碰觸到電路板裸露的接點。

另外一個缺點則是與液態金屬的特性有關,當液態鎵碰觸到固態鋁時,會引起鋁的脆化現象,從外部施加應力時,鋁金屬便會粉碎,而非一般可以觀察到的形變。目前這種現象尚未出現經過證實的學說,但綜合多數科學家的看法,大多認為液態金屬與固態金屬互溶的過程當中,破壞原本固態金屬原子與原子間的應力,讓固態金屬失去原本的延展性,一捏就碎。

鋁與鎵互溶時,可以觀察到相當明顯的脆化現象,因此建議玩家至少要選擇銅底散熱器;但由於含量 99.9% 以上的金屬銅相當軟,可能無法長期應付散熱器扣具壓力而變形,因此散熱器銅底大多為銅的合金,倘若此合金製備過程不完善,內部合金比例不太均勻,碰到液態金屬散熱膏也有機會觀察到一個個小圓洞侵蝕。最為保險的方法,在玩家選擇銅底散熱器的同時,銅底區域最好另行鍍鎳或是其它金屬保護層。

除了液態金屬散熱膏,部分廠商也會調整合金材質,推出在室溫下呈現固態的散熱膏「片」,安裝後須燒機至一定溫度才會熔化。由於不含鎵,因此也可以使用在鋁散熱器。

 

(下一頁:5+1 款液態金屬散熱膏介紹)

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訪客
1.  訪客 (發表於 2020年4月16日 20:53)
P2
這是「當是」市面上唯一一家推出液態金屬散熱膏  當是 > 當時
電腦王編輯部在「策畫」此一專題測試之時     策畫 > 策劃(前者N後者V)
P3
高階處理器內部「熱界面」材料仍為矽基散熱膏  熱界面 > 熱介面
若要開蓋將「熱界面」材料替換成液態金屬    熱界面 > 熱介面

謎之音:
1、熱傳導係數最高的「Ausbond A8」反而表現最差,印證『厲害了,我的膏!』。
2、表現不俗的「Ga 75.5+In 24.5」售價卻最便宜,各大廠『售價八成皆包裝』?

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