برای اینکه در مورد لیکوئید متال توضیح دهیم، نخست باید با کاربرد خمیرسیلیکون و دلیل استفاده از انتقال دهنده‌های دما را شرح دهیم. برای آشنایی با کاربرد و تفاوت لیکویید متال و خمیرسیلیکون، این مطالب را مطالعه نمایید.
در دنیای کامپیوترهای امروزی، با بالا رفتن قدرت پردازشی تراشه‌ها، مصرف انرژی و تولید حرارت هم بیشتر شده است. هر چند تولید کنندگان در سالهای اخیر توانسته‌اند بخشی از مصرف انرژی را کنترل کنند اما همچنان دنیای تکنولوژی در زمینه باتری و مصرف انرژی بسیار عقب مانده‌تر از سایر زمینه‌هاست.
به همین دلیل، به تجهیزات خنک سازی و خنک کننده‌ها همواره توجه ویژه‌ای می‌شود. چرا که تقویت سیستم خنک کنندگی موجب افزایش بهره‌وری و افزایش طول عمر سخت‌افزارها خواهد شد.
از جمله تجهیزات خنک کننده می‌توان به کیس، فن، خنک کننده‌های آبی (واترکولر)، خنک کننده هوایی (ایرکولر) و خمیر سیلیکون یا لیکوئید متال اشاره کرد. در واقع لیکوئید متال و خمیر سیلیکون را می‌توانیم در دسته خمیرهای حرارتی در نظر بگیریم.
خمیر حرارتی چیست و چرا باید از آن استفاده کرد؟
در گذشته، در مورد کاربرد و دلیل استفاده از خمیرسیلیکون توضیح داده بودیم. اما در اینجا هم به طور خلاصه برای تکمیل این مطلب در موردش توضیح می‌دهیم.
هر تراشه‌ی پیشرفته‌ای که قدرت پردازشی بالایی دارد، نیازمند ولتاژ بیشتری است و در ادامه، گرمای بیشتری نیز تولید می‌کند. تا جایی که جریان هوای اطراف بعضی تراشه‌های قوی، مانند CPU و GPU(پردازنده گرافیکی در کارت گرافیک‌ها) و یا تراشه چیپست مادربرد، قادر به دفع حرارت از سطح تراشه نیستند. در چنین مرحله‌ای برای دفع حرارت، نیاز به پیاده سازی سیستم خنک کنندگی پیدا خواهیم کرد.
یک سیستم خنک کنندگی هوایی غیرفعال(Passive Air Cooling) ساده‌ترین نوع خنک کننده است. این سیستم شامل یک قطعه هیت سینک از جنس مس یا آلومینیوم است که به وسیله گیره یا پیچ و مهره، روی تراشه بسته می‌شود. اگر حرارت تراشه بالا باشد، سیستم خنک کنندگی باید به شکل فعال (Active Air Cooling) باشد. سیستم خنک کنندگی فعال، به غیر از هیت سینک دارای یک فن برای ایجاد جریان هوای قوی و دفع سریع‌تر حرارت از سطح هیت سینک می‌باشد.
برای آنکه گرمای سطح تراشه، سریع‌تر و بهتر به هیت سینک انتقال یابد، همواره از یک خمیر رسانای دما استفاده می‌کنیم. به این خمیر رسانای دما به اصطلاح “خمیر حرارتی” می‌گوییم.
خمیر حرارتی شامل گونه‌های متفاوتی از جمله: خمیر سیلیکون ، لیکوئید متال ،چسب سیلیکون می‌باشد. نوع دیگری از رسانای دما به شکل پدحرارتی تولید و عرضه می‌شود که معمولاً روی تراشه و قطعاتی که گرمای کمتری دارند (مانند چیپ مموری یا ماسفت‌ها) استفاده می‌شود. پدحرارتی صفحه‌ای لاستیکی شکل و از نظر ترکیبات ساختارش بسیار شبیه به خمیرسیلیکون است.
ضریب انتقال حرارت چیست؟
موادی که خاصیت رسانایی دما دارند، دما را با سرعت‌های مختلفی به بخش‌های دیگر منتقل می‌کنند. به عنوان مثال فرض کنید ممکن است یک ماده در عرض n ثانیه دما را به n نانومتر آنطرف‌تر منتقل کند و ماده‌ای دیگر با تأخیر بیشتری اینکار را انجام دهد.
سرعت و توانایی انتقال حرارت یک ماده‌ی رسانای دما را بر حسب “ضریب رسانایی دما” یا “ضریب انتقال دما” می‌سنجند و با علامت اختصاری Wm/k آن را نشان می‌دهند. به طور مثال ضریب انتقال حرارت خمیر سیلیکون برند Deep Cool مدل Z9 برابر با 4Wm/k است و یا ضریب انتقال حرارت خمیر سیلیکون برند Cooler Master مدل MasterGel Pro v2 برابر با 9Wm/k می‌باشد.
هر چند ضریب انتقال حرارت، تنها معیار شناخت یک خمیرسیلیکون عالی نیست اما مهم‌ترین معیار به حساب می‌آید که باید در خرید خمیرسیلیکون مرغوب حتماً به آن توجه کنید. بهترین خمیر سیلیکون‌های دنیا دارای ضریب انتقال حرارت بین 12Wm/k تا 15Wm/k هستند.
لیکوئید متال چیست؟
لیکوئید متال نوعی فلز مایع بر پایه فلز گران قیمت گالیوم است. بیش از 60 درصد از مواد تشکیل دهنده لیکویید متال از گالیوم تشکیل شده است. فلز گالیوم در طبیعت یافت نمی‌شود و در واقع در سنگ معدن بعضی فلزات مانند “روی” ترکیب شده است. گالیوم در دمای بالاتر از 30 درجه ذوب می‌شود. یعنی اگر آن را در دست بگیرید کاملاً ذوب خواهد شد. نقطه جوش گالیوم در دمای بالاتر از 2400 درجه سانتیگراد است و از نظر خاصیت رسانایی حرارت بسیار توانمند است. بنابراین در صنایع هادی و رساناها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
لیکوئید متال، خاصیت رسانایی دما یا همان ضریب انتقال دمای بسیار بالاتری نسبت به خمیر سیلیکون دارد. ضریب انتقال حرارت لیکوئید متال‌ها بیش از 70Wm/k است! یعنی حداقل حدود 5 تا 10 برابر خاصیت رسانایی دمای بیشتری نسبت به خمیرسیلیکون دارند. از لیکوئید متال به عنوان واسط حرارتی، درست مثل خمیرسیلیکون استفاده می‌شود اما از نظر اقتصادی، قیمت بسیار بیشتری نسبت به بهترین خمیرسیلیکون‌های بازار دارد.
از لیکوئید متال برای افزایش بهره‌وری خنک کننده کارت گرافیک‌ها و CPUها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
آیا لیکوئید متال فقط برای اورکلاک و کاربردهای خاص مناسب است؟
باید بدانیم که لیکوئید متال برای کاربرد اورکلاکینگ حرفه‌ای در دماهای بسیار پایین و منفی اصلاً مناسب نیست. در اورکلاک حرفه‌ای، CPU یا کارت گرافیک و دیگر قطعاتی که برای ثبت رکورد، اورکلاک می‌شوند اغلب در دمای منفی قرار می‌گیرند و لیکوئید متال در دمای منفی به اندازه خمیرسیلیکون‌های اورکلاکینگ کارایی نخواهد داشت.
بعضی از خمیرسیلیکون‌ها مانند برند Thermal Grizzly مدل Kryonout برای استفاده در دمای بسیار پایین که مورد استفاده اورکلاکرهای حرفه‌ای است، بهینه سازی شده‌اند و می‌توانند حتی در دمای -250 درجه زیر صفر به خوبی خاصیت خود را حفظ کنند.
بسیاری از خمیرسیلیکون‌های دیگر در دمای منفی، بخشی از خاصیت رسانایی خود را از دست می‌دهند.
در عوض لیکوئید متال برای سیستم‌هایی که حرارت بالایی دارند، مانند سیستم‌های رندرینگ و گیمینگ بسیار مناسب و تأثیرگذار است. معمولاً از لیکویید متال برای افزایش کارایی خنک کننده کارت گرافیک و زیر IHS فلزی CPU استفاده می‌شود.
واکنش شدید لیکوئید متال با آلومینیوم:
آلومینیوم محبوب‌ترین و پراستفاده‌ترین متریال برای ساخت خنک کننده‌ها به حساب می‌آید. از آنجا که بعضی تراشه‌ها نیاز به هیت سینک بزرگی دارند، سازنده‌ها نیز علاقه دارند از آلومینیوم برای ساخت هیت سینک استفاده کنند. دلیلش هم این است که آلومینیوم فلز سبکی است که انتقال دهنده دمای بسیار خوبی هم هست و علاوه بر آن از مس ارزان‌تر است.
از طرف دیگر، فلز مس، خاصیت رسانایی دمای بیشتری از آلومینیوم دارد اما به دلیل وزن و مخصوصاً قیمت بیشتر، فقط در بعضی از خنک کننده‌ها برای لوله‌های انتقال حرارت (هیت پایپ) یا کف خنک کننده از مس استفاده می‌شود. اما باز هم بسیار از خنک کننده‌ها فقط از آلومینیوم هستند و یا از جنس آلومینیوم با روکش مس می‌باشند.
فلز گالیوم موجود در لیکوئید متال، قابلیت نفوذ به درون ساختار اتمی آلومینیوم را دارد و در پی آن، ساختار آلومینیوم در تماس با گالیوم از هم پاشیده شده و مانند زنگ آهن خورد و متلاشی می‌شود! واکنشی که شبیه به اکسید شدن است اما از دید علمی متفاوت است.
این واکنش تنها در عرض چند ساعت رخ می‌دهد بنابراین به هیچ عنوان نباید برای هیت سینک‌هایی که کفی آلومینیومی دارند، از لیکوئید متال استفاده کنیم.
سازندگان معتبر خنک کننده‌ها نیز در بخش کفی خنک کننده‌ها معمولاً از آلومینیوم استفاده نمی‌کنند.
واکنش لیکوئید متال با مس:
جالب است بدانید لیکوئید متال با مس هم واکنش نشان می‌دهد. اما میزان این واکنش حتی در طی سال‌ها، به حدی کم است که بهتر است از آن چشم پوشی کنیم. لیکوئید متال توانایی تخریب مس را ندارد اما می‌تواند در ساختار آن نفوذ داشته باشد. به همین دلیل اگر کف خنک کننده از جنس آلومینیوم با روکش نازک مس باشد، لیکوئید متال می‌تواند به مس نفوذ کرده، از آن عبور کند و به هسته آلومینیومی آن آسیب برساند و آن را متلاشی کند!
بنابراین پیش از تهیه لیکوئید متال باید نسبت به ساختار و متریال ساخت خنک کننده‌ای که قصد تعویض خمیرسیلیکون آن را با لیکوئید متال دارید، اطلاعات بسیار دقیقی داشته باشید.
فلزات سازگار با لیکوئید متال کدام‌اند؟
بهترین خنک کننده‌هایی که مناسب استفاده برای لیکوئید متال هستند، خنک کننده‌هایی هستند که کف آنها از جنس مس با روکش نیکل است. گالیوم و لیکویید متال هیچگونه واکنشی با فلز نیکل ندارد.
سازندگان خنک کننده‌ها از روکش نیکل برای زیبایی، رنگ آمیزی نقره ای یا مشکی خنک کننده‌ها و همچنین مقاومت بیشتر مس در برابر ضربات استفاده می‌کنند. اما همین روکش نیکل می‌تواند محافظ خوبی در برابر واکنش‌های لیکویید متال باشد. همچنین می‌توانید بدون هیچ مشکلی از لیکوئید متال برای خنک کننده‌هایی که کفی از جنس مس خالص هستند نیز استفاده کنید.
چه جاهایی بهتر است از لیکوئید متال استفاده کنیم؟
گفتیم که برای استفاده از لیکوئید متال، ابتدا باید به جنس کف خنک کننده دقت کنیم. کف خنک کننده و سطوحی که در تماس با لیکوئید متال هستند، نباید از جنس آلومینیوم یا هسته آلومینیوم باشند. پس از اینکه از متریال خنک کننده و سطوح مطمئن شدید، آنگاه باید بدانید که برای کاربردتان خمیر سیلیکون مناسب‌تر است، یا پدسیلیکون یا لیکویید متال.
مشکلی که خمیرسیلیکون دارد این است که نیاز به تعویض دوره‌ای کوتاه مدت دارد. به طور مثال برای تراشه‌های پرحرارتی مثل تراشه گرافیکی کارت گرافیک، نیاز است که حدود دوبار در سال، خمیرسیلیکون را تعویض کنیم. مشخص است اگر تعویض خمیرسیلیکون مدت زیادی انجام نشود، باعث از دست دادن کارایی خمیرسیلیکون و افزایش دمای تراشه خواهد شد.
لیکوئید متال به دلیل دارا بودن خاصیت‌هایی که گفته شد، نیازی به تعویض دوره‌ای در بازه‌های زمانی کوتاه ندارد چون با حرارت زیاد و گذشت زمان، کارایی آن افت نمی‌کند. بنابراین چندین برابر خمیرسیلیکون، عمرمفید دارد. به دلیل همین طول عمر مفید زیاد و عدم نیاز به تعویض دوره‌ای کوتاه مدت، بهترین واسط حرارتی برای استفاده در خنک کننده‌هایی است که تعویض و سرویس دوره‌ای آنها سخت است. مانند کارت گرافیک‌ها، تراشه‌های لپ‌تاپ یا Delid کردن CPU.
اگر با Delid کردن CPU آشنا باشید می‌دانید که به عمل تعویض خمیرسیلیکون بین Die و IHS پردازنده مرکزی (CPU) دلید گفته می‌شود. از آنجا که تعویض دوره‌ای خمیرسیلیکون زیر IHS بسیار پر ریسک است، بنابراین برای Delid کردن بهتر است از لیکوئید متال استفاده شود. در مجموع در مورد خنک کننده‌هایی که سرویس دوره‌ای آنها سخت و پر ریسک نیست (مانند CPU) برای صرفه اقتصادی بیشتر، بهتر است از خمیرسیلیکون استفاده شود چرا که قیمت لیکویید متال بسیار بیشتر از خمیرسیلیکون‌های مرغوب بازار است.
