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Das große Wärmeleitpasten-Tutorial mit 85 getesteten Pasten (2017)

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Der Heatspreader

Schneidet man eine CPU einmal in der Mitte durch, dann sieht man sehr deutlich, dass der eigentliche Prozessor-Chip (die) nur einen Teil der Gesamtfläche ausmacht und somit auch nur zu einem Teil des äußerlich sichtbaren Metalldeckels mehr oder weniger Kontakt hat. Deshalb ist es die Aufgabe des Heatspreaders, die Abwärme des Chips möglichst breitflächig weiter zu verteilen, damit sie dann optimal an den Kühlkörper (Heatsink) des CPU-Kühlers weitergeleitet werden kann.

Betrachtet man das Schema, dann fallen zwei Dinge besonders auf. Zum einen sieht man, dass zwischen Die und Heatspreader bereits beim Hersteller eine wärmeleitende Schicht eingebracht wird. Während AMD, so wie Intel in der Vergangenheit auch, eine Art Lot nutzt, spart sich Intel diesen Aufwand und ersetzt die Verlötung neuerdings durch eine simple Wärmeleitpaste (TIM). Damit verringert sich die Wärmeleitfähigkeit dieser Zwischenschicht enorm, was uns letztendlich auch die Schwierigkeiten bei der Kühlung übertakteter CPUs logisch erklärt.

Heatspreader, Hotspots und die Folgen

Wir sehen es ja bereits am obigen Schema, dass durch den Größenunterschied zwischen Heatspreader und der direkten Kontaktfläche zur CPU auf der Oberfläche vor allen zu den Längsseiten hin Bereiche entstehen, die kühler sind als der Bereich, der direkt oberhalb des Die liegt. Diesen heißeren Bereich nennt man auch Hotspot, weil hier die meiste Abwärme an der Oberfläche austritt. Die in den nachfolgenden Bildern genutzte, vereinfachte Darstellung als worst case soll uns an dieser Stelle reichen, obwohl sich dieser Bereich z.B. durch verschiedene Lastverhalten und die Positionierung von Prozessorkernen, Cache oder auch der integrierten Grafik noch viel weiter differenzieren ließe. Für unsere Zwecke reicht jedoch auch ein Gesamtbereich. Dort ist es übrigens wie beim Wasser, das sich stets und ständig natürlich den möglichst kürzesten Weg des geringsten Widerstandes nach außen sucht. Schauen wir nun einmal von oben auf die CPU:

Wir sehen, dass die Intel-CPU auf Grund der kleineren Strukturbreite von oben her gesehen einen deutlich schmaleren Hotspot besitzt! Mit diesem Wissen ausgerüstet, sollte man sich nun auch genau überlegen, wie man mit einem geeigneten Kühlerboden (Heatsink) diese Fläche möglichst optimal trifft, dann schließlich muss an exakt diesem Ort ja auch die meiste Abwärme abgeleitet werden.

Sinn und Unsinn von DHT-Kühlern

CPU-Kühler mit angeschnittenen Heatpipes (DHT, Direct Heat Touch) sind (leider) stark in Mode gekommen und sie sparen dem Hersteller ja auch eine Menge Geld bei der Produktion – was das Marketing dann dem gutgläubigen Kunden aber gern als super kühlendes Feature verkauft. Jedoch birgt diese Art der Konstruktion auch eine gewisse Problematik in sich. Bei einem Kühler mit z.B. nur 4 Heatpipes sieht man sehr deutlich, dass CPUs mit einem sehr schmalen Die (z.B. Intel ab Ivy Bridge) auch einen dementsprechend schmaleren Hotspot besitzen. Die zwei mittleren Heatpipes in der nachfolgenden Grafik (Xigmatek Achilles) liegen jedoch nicht sonderlich optimal auf und drehen lassen sich solche Kühler auch nur in den seltensten Fällen.

Und nun? Könnte man den Kühler um 90° drehen, könnte man mit der Problematik eigentlich ganz gut leben. AMD-Anwender habe es oft einfacher, da die Kühler meist nach oben ausgerichtet sind, so dass die Heatpipes den schmalen, länglichen Hotspot kreuzen und nicht an ihm entlang ausgerichtet sind. Für ein aktuelleres Intel-System oder um 90° gedrehte AMD-Systeme sollte man deshalb nur DHT-Kühler in die engere Wahl ziehen, die über 5 Heatpipes verfügen und bei denen zwischen den angeschnittenen Heatpipes keine (größeren) Zwischenräume mehr liegen.

Man kann durch die Wahl eines unpassenden Kühlerbodens bereits mehr an Kühlperformance einbüßen, als was man später mit der teuersten Paste jemals wieder wettmachen könnte! Aber es kommt sogar fast noch schlimmer. Betrachten wir als Nächstes, was sich genau zwischen Heatspreader und Heatsink abspielt.

Huckelpisten statt glatter Oberfläche

Nein, also wirklich homogen sind die Oberflächen des Heatspreaders und des Heatsinks nun wirklich nicht. Unterm Mikroskop sieht man sehr deutlich, dass eine fürs menschliche Auge glatt scheinende Oberfläche eine wahre Huckelpiste darstellt (Bild 1)

Drückt man nun beide Oberflächen aufeinander (Bild 2), dann wird deutlich, dass sich nur wenige Moleküle wirklich direkt berühren und zwischendrin jede Menge Luft eingeschlossen wird. Luft ist jedoch ein denkbar schlechter Wärmeleiter, sondern eher ein Isolator. Somit verpufft der ganze Konstruktionsaufwand ziemlich komplett, denn nur dort, wo sich beide Metallkörper wirklich direkt berühren, kann die Abwärme auch in den Kühler abgeleitet werden.

Ein wärmeleitendes Medium muss her! Paste oder Pad

Genau an dieser Stelle setzt nun die Überlegung an, eine optimale Verbindung zwischen beiden Flächen zu schaffen, die flüssig und/oder flexibel genug ist, um die Luft nach außen zu verdrängen und komplett zu ersetzen. Da man mit solchen Medien, egal ob nun als Paste, Pad oder „Flüssigmetall,“ nie die Wärmeleitfähigkeit der beiden anderen Flächen erreichen wird, muss die Schicht dünn genug sein, um möglichst wenig zusätzlichen Widerstand zu erzeugen, jedoch immer noch dick genug, um Unebenheiten und damit mögliche Lufteinschlüsse zu vermeiden.

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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