Flüssigmetall CPU & GPU: Zustand nach zwei Jahren Nutzung

Ein von der8auer durchgeführtes Experiment ermöglichte es, die zeitliche Entwicklung des für die Kühlung von CPUs und GPUs verwendeten Flüssigmetalls zu beobachten und dabei hervorzuheben, dass es sich nicht nur verschlechtert, sondern chemisch mit den Metallen der Oberflächen reagiert, auf denen es aufgetragen wird.

Gallium kann Aluminium schwächen und bildet feste Verbindungen mit Kupfer. Die Nickelbeschichtung begrenzt diese Reaktion hingegen erheblich. Flüssigmetall ist eine immer häufiger eingesetzte Lösung, um die Wärmeableitung von Prozessoren und Grafikkarten zu verbessern, insbesondere bei Komponenten mit hoher thermischer Dichte.

Flüssigmetall CPU GPU: Warum das wichtig ist

Die Analyse, die zwei Jahre dauerte und von Roman Hartung – Gründer von Thermal Grizzly, online besser bekannt als der8auer – durchgeführt wurde, ermöglichte es, unter dem Elektronenmikroskop zu beobachten, was mit diesem Material im Laufe der Zeit geschieht. Die Ergebnisse heben einen wichtigen Aspekt hervor: Das Flüssigmetall verliert nicht nur seine ursprünglichen Eigenschaften, sondern reagiert auch mit den Metallen, mit denen es in Kontakt kommt, und bildet neue feste Verbindungen.

Das Experiment betrifft eine Legierung auf Gallium- und Indiumbasis, die gegebenenfalls mit Zinn angereichert ist, wie das von Thermal Grizzly vertriebene Conductonaut. Diese Legierungen können bei Raumtemperatur flüssig bleiben: Die in dieser Art Anwendung verwendete Mischung aus Gallium, Indium und Zinn schmilzt bei etwa 11 °C, während reines Gallium bei circa 30 °C schmilzt.

Die Eigenschaften dieser Materialien ermöglichen es, den thermischen Widerstand der Schnittstelle zwischen Komponente und Kühlsystem zu verringern, doch ihr Verhalten hängt auch von der Art der Oberfläche ab, auf die sie aufgetragen werden.

Das problematischste Verhalten tritt bei Kontakt mit Aluminium auf. Wenn das Gallium in der Lage ist, die oberflächliche Oxidschicht zu überwinden, dringt es entlang der Korngrenzen des Metalls ein und schwächt dessen Struktur. Im von der8auer durchgeführten Test begann eine 2 mm dicke Aluminiumfolie nach etwa fünf Minuten aufzublähen und wurde innerhalb einer halben Stunde spröde. Dieses Phänomen macht Aluminium für den direkten Kontakt mit galliumbasiertem Flüssigmetall ungeeignet.

Bei Kupfer verläuft der Prozess anders. Das Gallium reagiert mit der Oberfläche und bildet die intermetallische Verbindung CuGa₂, die aus einem Kupferatom pro zwei Galliumatomen besteht. Das in der Legierung enthaltene Indium und Zinn tragen zur Bildung weiterer fester Zonen bei. Die Oberfläche nimmt allmählich ein kristallines Aussehen an, und das Material lässt sich auch mit Isopropylalkohol oder Aceton nur schwer entfernen.

Hauptproblem sind die thermischen Eigenschaften der entstehenden Verbindung. CuGa₂ weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 100 W/mK auf, im Gegensatz zu den rund 400 W/mK von Kupfer. Die neue Schicht leitet daher die Wärme viel weniger effektiv als das ursprüngliche Metall.

Zudem bleibt die Verbindung fest bis etwa 254 °C, was es unmöglich macht, sie durch einfaches Erhitzen auf normalen PC-Betriebstemperaturen wieder in den flüssigen Zustand zu versetzen. Die zeitlichen Beobachtungen zeigen, dass das Flüssigmetall eine Stunde nach dem Auftragen noch im flüssigen Zustand sichtbar ist; nach zwei Monaten weist die Oberfläche Kristalle auf und zeigt kein sichtbares Flüssigmetall mehr. Zwei Jahre nach Beginn des Tests bleibt die Situation im Wesentlichen unverändert gegenüber der im zweiten Monat beobachteten.

Einen teilweisen Schutz bieten kupferne Kühlkörper mit Nickelbeschichtung, eine in PC-Kühlsystemen verbreitete Lösung. In diesem Fall bildet das Gallium vorwiegend NiGa₂, eine auch bei Raumtemperatur feste Verbindung. Die Nickelbeschichtung reduziert die von der Oberfläche absorbierte Materialmenge erheblich und begrenzt das Wachstum der Reaktionsschicht. Messungen zeigen eine Dicke in der Größenordnung weniger Mikrometer, etwa zehnmal geringer als bei unbeschichtetem Kupfer.

Was sich ändert und welche Effekte auftreten

NiGa₂ weist dennoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das Kupfer-Gallium-System. Der Vorteil des Nickels besteht vor allem darin, die Penetration des Galliums zu begrenzen und das darunterliegende Kupfer zu schützen, nicht darin, chemische Reaktionen vollständig zu eliminieren. Aus diesem Grund hält Hartung eine nickelierte Oberfläche für im Allgemeinen vorzuziehen gegenüber blankem Kupfer bei der Verwendung von Flüssigmetall.

Flüssigmetall behält einen wichtigen Vorteil: Es kann thermische Leistungen bieten, die über denen vieler traditioneller Pasten liegen, was es für anspruchsvolle Prozessoren und GPUs interessant macht. Die Zunahme der pro Flächeneinheit abgeführten Leistung hat es immer wichtiger gemacht, den thermischen Widerstand zwischen Chip und Kühlkörper zu verringern.

Laut Hartung weisen die NVIDIA RTX 5080- und RTX 5090-GPUs eine Leistungsdichte auf, die jeweils etwa drei- bzw. zweimal höher ist als die einer GeForce 8800 GTX. Die Kehrseite der Medaille bilden die Komplexität der Anwendung und die elektrische Leitfähigkeit der Legierung: Ein Auslaufen kann Kurzschlüsse verursachen, während eine falsche Materialwahl die Metalloberflächen beschädigen kann. Auch das Entfernen von Rückständen kann aufwendig sein.

Hartung ist daher der Meinung, dass diese Technologie vor allem Enthusiasten und erfahrenen Nutzern vorbehalten bleiben sollte, beispielsweise solchen, die extremes Overclocking an Komponenten mit hoher thermischer Dichte betreiben. Auch der Rohstoffpreis ist zu einem Faktor geworden, den man berücksichtigen muss: Hartung berichtete, dass der von seinem Unternehmen getragene Galliumpreis innerhalb von fünf Jahren von etwa 300 Euro pro Kilogramm auf 2.500–3.000 Euro gestiegen ist, mit weiteren Preiserhöhungen seit 2025. China stellt etwa 99 % des weltweiten Angebots dar, ein Faktor, der den Markt für Handelsbeschränkungen und geopolitische Dynamiken anfällig macht.

Thermal Grizzly bewertet neue alternative Beschichtungen neben Nickel mit dem Ziel, diese in Zukunft einzuführen, sowie eine neue Version des Graphen-Pads KryoSheet für Chips ohne Metallabdeckung. Letztere Lösung könnte laut den gemeldeten Schätzungen etwas geringere Leistungen bieten, im Bereich von 3–4 °C gegenüber Flüssigmetall, aber mit größerer Anwendungseinfachheit.

Quelle und weiterführende Informationen zu Flüssigmetall CPU GPU: Originalartikel.

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* Inhalt mit Unterstützung von KI-Systemen erstellt.