Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Термопрохладки

Архив

автор : Александр Карабутов 05.11.2001

Обзор термопаст, термопрокладок и термоклеев

Поговорим о прокладках. Точнее - о термопрокладках. О тех, которые располагаются между кулерами и процессорами, защищая последние от перегрева в моменты интенсивного скрипа электронных мозгов. Еще недавно кто-то вряд ли мог представить, что наш журнал может обратиться к такой несерьезной (на взгляд некоторых) теме, как компьютерные кулеры или термопасты. Однако этим жарким летом почин был сделан и, судя по многочисленным читательским откликам, оказался успешным. Поэтому вслед за обзором недорогих процессорных кулеров (см. «КТ» #397), я хочу (со всей возможной серьезностью) поговорить о термопастах и термопрокладках.

По правде говоря, острая необходимость применения термопаст в процессорных кулерах персональных компьютеров возникла не так давно. Еще полтора-два года назад, в пору господства Pentium II, Celeron-Mendocino и более ранних моделей процессоров, вполне можно было обойтись и без паст (что многие и делали). И только добросовестные производители и сборщики (а также немногочисленная армия оверклокеров ¹) не забывали промазывать термопастой поверхность соприкосновения кулера с процессором, видеоускорителем или чипсетом системной логики. А встречавшиеся порой специальные прокладки на кулерах скорее служили для электроизоляции, нежели улучшали теплоотвод. Ситуация в корне изменилась на очередном витке гонки мегагерц, когда беззащитные в своей хрупкости «Атлоны», «Дюроны» и «Коппермайны» ² должны были своими маленькими и нагими, пардон, чипами площадью чуть более квадратного сантиметра рассеивать до 50 (а иногда и до 70) ватт! Чтобы наглядно представить себе масштаб проблемы, попробуйте схватиться рукой за работающую киловаттную лампочку накаливания (если случайно наткнетесь на таковую) или, например, поедать ежесекундно по десять горошин «Тик-Так» в течение всего дня, что по калорийности составит дневной рацион взрослой особи бегемота ³. Здесь уже не обойтись без специальных термоинтерфейсов ⁴. И производители процессорных кулеров чутко откликнулись на безжалостно навязываемые пользователям требования рынка, начав комплектовать их (кулеры, а не требования) всевозможными термопастами (в «жидком» или самоплавком виде) и термопрокладками (например, графитовыми).

Другим поводом для нашего сегодняшнего разговора послужила московско-подмосковная фирма GM-Inform (по-русски называется точно так же), которая занимается, в частности, разработкой и производством (это в российских-то условиях!) систем охлаждения для компонентов персональных компьютеров. Проще говоря - делает кулеры для процессоров и чипсетов, термопасты и т. п. Такую инициативу отечественного производителя на фоне всеобщей китаизации компьютерной индустрии нельзя не приветствовать, тем более, что (со слов представителя фирмы) им удалось наладить тесное сотрудничество с другими известными российскими производителями компьютеров и комплектующих (догадайтесь - какими) и выйти на уровень ежемесячных поставок кулеров в несколько десятков тысяч штук. Об одном весьма удачном кулере этой фирмы я уже рассказывал ранее (см. «КТ» #397), и в будущем, возможно, мы вернемся к их новым железкам, а сейчас нас будут интересовать их решения в области термоинтерфейсов - появившиеся летом в продаже термопасты АлСил-3 и КПТ-8 (хорошо известная ранее, но теперь с обновленным составом), термоклей АлСил-5, а также планируемые к использованию термопрокладки из высокоориентированного графита (см. фото).

Поскольку нынче эти изделия компании GM-Inform легко найти в продаже на просторах нашей родины (в отличие от многочисленных импортных термопаст), для начала я ограничусь полевыми испытаниями только этих термоинтерфейсов, добавив лишь еще одну термопасту - хорошо зарекомендовавшую себя не высохшую в течение семи (!) лет использования (и купленную мной в свое время на Митинском радиорынке) английскую Heat sink compound No. 554-311 фирмы RS Components Limited. Если это небольшое исследование покажется нашим читателям интересным, позднее можно будет вернуться к проблеме с другими материалами (Илья Хрупалов в шутку предложил потестировать масла для подшипников вентиляторов кулеров). Кстати, в GM-Inform сейчас разрабатываются и более дорогие («продвинутые») варианты термопаст на основе порошков нитрида бора и серебра.

Итак, что же представляют собой наши сегодняшние герои, убедить в необходимости которых для каждого пользователя компьютера (сиречь - читателя этих строк) я надеюсь под конец рассказа? Если пасты КПТ-8 и No. 554-311 базируются на хорошо зарекомендовавшем себя в течение десятилетий порошке оксида цинка, то паста и клей АлСил построены на довольно новом (для широких масс) материале - микропорошке нитрида алюминия. Вязким связующим в термопастах служит материал силикон (не путать с названием химического элемента - кремния, Si). Основные технические параметры паст (теплопроводность и удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре) показаны в таблице. Чтобы дать вдумчивому читателю пищу для размышлений, приведу несколько цифр по теплопроводности известных и наиболее отличившихся в этом деле материалов: алюминий - 237, медь - 401, серебро - 429, золото - 317, кремний - 150, оксид цинка - 54, оксид бериллия - 370, нитрид алюминия - 200, нитрид бора (одна из его форм) - 180, карбид кремния - 490, и, наконец, алмаз - от 900 до 2300 в зависимости от структуры. Единицы измерения - те же, что и в таблице. Разумеется, все эти предельные значения измерены для твердых специальным образом приготовленных и очищенных крупнокристаллических (а в ряде случаев - и монокристаллических) форм материалов. В реальности, для распространенных технических разновидностей этих же материалов теплопроводность заметно хуже (например, для алюминия и меди - порой вдвое). Тем более, существенно хуже теплопроводность у микрокристаллических порошков этих материалов, что и отражено в теплопроводности наших термопаст. Несмотря на это, пасты на нитриде алюминия здесь выглядят явно лучше проверенных «старичков» на оксиде цинка. Все пасты и клей - хорошие диэлектрики.

Отдельного разговора заслуживает графит. Как вы знаете, этот материал имеет слоистую структуру, причем вдоль слоев атомы углерода связаны между собой очень крепко (даже крепче, чем в алмазе), и материал имеет крайне высокую теплопроводность - до 2000 (лучше, чем две из трех форм алмаза). Зато поперек слоев связи очень слабые (поэтому графит легко ломается), и теплопроводность крайне низка - всего 5-6 Вт/(м·К). Первый из этих фактов очень привлекателен для создания тонких и мягких теплопроводящих прокладок на основе высокоориентированного графита, слои которого направлены строго поперек плоскости прокладки. Теоретически здесь можно получить теплопроводность лучше, чем у всех термопаст, а мягкость прокладки будет способствовать плотному прилеганию ее к разным поверхностям. В моих испытаниях участвовали два типа таких ориентированных графитовых прокладок - тонкая и относительно плотная (толщиной 100 микрон и плотностью 1,1 г/см3) и «потолще-помягче» (170 и 0,5 соответственно). Графитовые прокладки, в отличие от паст, хорошо проводят электричество. Наконец, для сравнения с нашей реальностью взят случай полной безалаберности, когда кулер прикреплен к современному процессору всухую (без термопаст и прокладок).

Термомучения процессора Athlon 1200 МГц (более быстрый «Атлон» просто не выдерживал безалаберности, зашкаливая за 100 градусов Цельсия) проводились на системной плате CN-75CLV компании Canyon Technologies, имеющей хорошие возможности для оверклокинга (см. сноску 1) и два термодатчика, один из которых плотно прижимался ко дну процессора снизу, а другой измерял температуру радиатора кулера вблизи его основания ⁵. Кулером служил один из наиболее распространенных и едва ли не лучший из дешевых (см. обзор в «КТ» #397) - ND2 от Evercool ⁶. Для наиболее дотошных читателей (пусть не обидятся остальные) кратенько сообщу некоторые детали экспериментов - с каждым термоинтерфейсом (пастой или прокладкой) измерения проводились троекратно, причем «попытки» каждого фигуранта следовали не одна за другой, а только после очередных «подходов» остальных участников. Перед каждым измерением процессор и кулер тщательно очищались от следов предыдущего «испытанта» с применением горячо любимой в народе жидкости. Каждая попытка длилась час, в течение первой половины которого процессор активно разогревался путем имитации бурной деятельности программой BurnP6 (при этом происходил более плотный прижим, поскольку размякшие излишки пасты выдавливались из-под прижима), а затем (после перезагрузки) полчаса остывал в праздном бездействии, деловито демонстрируя до боли в глазах знакомые иконы рабочего стола. Окружающая температура в корпусе ATX была постоянной с точностью 1-2 градуса. Температура процессора и радиатора измерялась в программе Motherboard Monitor 5.09, выход на стационарную температуру для каждого измерения происходил примерно за 10 минут, после чего она редко изменялась даже на 1 градус, а разброс между тремя попытками для всех случаев также не превышал 1 градуса (я и сам удивился такой стабильности, наверное, высокий градус применяемой - не путать с «принимаемой» - в процессе жидкости сделал свое светлое дело).

Итак, что показал нам «сын ошибок трудных»? К моему (и не только моему) удивлению, дружно победили термопасты на оксиде цинка, показав практически идентичные результаты (см. диаграмму)! А вот паста на хваленом нитриде алюминия немного отстала, хотя отставание все-таки чисто символическое, и в целом все три пасты показали примерно одинаково хорошие результаты. Разница температур между процессором (точнее - его дном) и радиатором составляет менее 20 градусов, что говорит о хорошем термоконтакте между ними. Я затрудняюсь объяснить легкий конфуз пасты АлСил-3. Возможно, более крупная зернистость, большая твердость частиц или более густая консистенция добавили лишний градус. Перепроверка только подтвердила мой результат, а вот в причинах пусть разбираются разработчики (кстати, пасты у меня были, что называется, «из первых рук»). Ради интереса я попробовал вместо термопасты применить алмазную полировочну пасту с размером зерен 1-2 микрона. Как мы помним, алмаз обладает превосходной теплопроводностью, и можно было бы ожидать неплохих результатов. Однако опыт оказался неудачным - алмазная паста оказалась даже немного хуже, чем АлСил-3. Очевидно, термопасту из алмазного порошка следует готовить специальным образом.

По вполне понятным причинам клей АлСил-5 выпал из общей струи экспериментов, однако по личному опыту могу сказать, что работает он вполне прилично и очень удобен для многих целей. Единственный замеченный мной недостаток - склеенные строго по рекомендованной технологии детали окончательно (то есть намертво) засыхают значительно дольше, чем написано - за несколько дней при комнатной температуре. Однако нагрев градусов до 50-60 заметно ускоряет процесс склеивания, и держится соединение прочно.

Графитовые прокладки, как я и ожидал, оказались заметно хуже термопаст. Причем оба типа показали почти одинаковые результаты, невзирая на разницу в толщине и плотности. Тем не менее, они вполне пригодны для процессоров AMD с частотой ниже 1200 МГц (в том числе для многочисленной армии «Дюронов»), а также для всех Pentium III и Celeron, поскольку это заметно лучше, чем случай полного отсутствия прокладки; кроме того, они очень полезны для механического предохранения хрупкого чипа процессора от сколов и трещин в результате неосторожного контакта с металлом кулера. Отмечу также, что во всех случаях температура радиатора была практически одинаковой (отдельно для работы и простоя процессора). Это говорит о неизменности поступаемого на радиатор теплового потока (вне зависимости от типа прокладки), а также о высокой охлаждающей эффективности самого кулера, заметно превышающей термопропускную способность остальных компонентов системы (то есть о корректности в постановке эксперимента). Наконец, нельзя без слез и содрогания глядеть на случай полного отсутствия прокладки, то есть непосредственного контакта кулера с процессором, причем даже в случае бездействия процессора. «Внушаить» и разница температур процессора и радиатора (более 50 градусов). Такого для современных окологигагерцовых процессоров категорически нельзя допускать! Любой разумный термоинтерфейс лучше этого! Надеюсь, мне удалось убедить сомневающихся в насущной необходимости термопрокладок? Что ж, используйте и чувствуйте себя защищенными!

Тип пасты	No. 554-331	КПТ-8	АлСил-3	АлСил-5
Теплопроводность, Вт/(м·К)	0,7	0,7-0,8	1,8-2	1,4-1,6
Удельное объемное электросопротивление, Ом·см	10¹⁵	10¹¹	10¹³	10¹³

[i41938]

1 (обратно к тексту) - Для тех, кто еще не в курсе, напомню, что оверклокеры - это не разновидность швей-мотористок и даже не хакеры, хотя они и издеваются над «железом» почти так же зверски, как хакеры - над программами.
2 (обратно к тексту) - Прошу не путать с представителями известных французских и немецких дворянских фамилий, безжалостно казненными во время Великой французской революции.
3 (обратно к тексту) - То-то обрадуются свежести их дыхания посетители зоопарков.
4 (обратно к тексту) - К слову, картинки почерневших от перегрева «Атлонов» и «Дюронов» нередко можно встретить в Интернете, да и в реальной жизни.
5 (обратно к тексту) - Эта плата вместе с памятью PC133 от PQI и винчестером IBM Deskstar 60GXP были любезно предоставлены для «поджогов» компанией ASBIS Moscow, а процессор - фирмой БЭСМ-2000. «Ни одна Чичерина в процессе съемок не пострадала».
6 (обратно к тексту) - По причине сложности повторения попыток испытание «расплавляемой нагревом процессора» термопрокладки на дне кулера ND2 не проводилось.