Grundlagenartikel Mythos Wärmeleitpaste - Edelpaste zum Apothekenpreis gegen günstiges Massenprodukt - Wir rechnen gnadenlos nach!

[Igor Wallossek]

Das Geschäft mit der Wärmeleitpaste ist ein sehr profitables, das war so, ist so und wird wohl auch so bleiben. Nur was bedeutet der von der PR so gern genommene K-Wert eigentlich wirklich? Wir rechnen einmal nach, mit welchen Temperatur-Gewinnen oder -Verlusten man wirklich rechnen kann bzw. muss.

Ich bin heute rein zufällig mal wieder über ein Wärmeleitpasten-Review gestoßen, bei dessen Lektüre mir vor Staunen fast die Augen rausgefallen sind. Sicher, wer im Social Medium ein Testmuster erhält, sollte dieses nach Möglichkeit (so hofft es zumindest die PR-Kompanie) dann auch schön finden, nur sollte sich der Tester wenigstens nicht beim Schönfinden erwischen lassen und Temperaturunterschiede finden, die so auch theoretisch nie im Leben möglich sind. Man kann diese Unterschiede nämlich locker und einfach nachrechnen. Das glaubt Ihr nicht? Doch, es ist sogar relativ simpel, wenn man erst einmal weiß, wie.

>>> Hier geht es zum Originalartikel <<<

 

[Loki]

Ich mag die Kerafol KP12, günstig und macht was es soll. Hab die allerdings bis jetzt auch nur bei CPU´s getestet.

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[hansdampf]

Ich plane übrigens ein Update:

Schichtdicke von WLP und Co

Update: https://www.computerbase.de/forum/threads/wie-duenn-kann-man-wlp-auftragen.1995316/ ------------------------------------------------------------ Update: Schichtdicke: Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anpresskraft und Temperatur bezüglich 9900 K Wurde nun überarbeitet, jeder...

www.computerbase.de

Und zwar, wie dünn kann man auftragen (verschiedene Streichtechniken) in Zusammenhang mit der Anpresskraft, die dann doch bei WLP eine entscheidene Rolle spielt. Um mit Flüssigmetall besser messen zu können und noch eine homogenere Schichtdicke zu erreichen, werde ich den Kühlblock mit bis zu 7000er glatt schleifen.

Im Angebot sind:

	mPas	g/cm³	W/m K
Liquid Pro	0,0018​	6,85​	80​
MX-2	85000​	3,96​	5,6​
MX-4	87000​	2,5​	8,5​
Kryonaut	150000​	3,7​	12,5​
Conductonaut	0,0021​	6,24​	73​
Noctua NH-H1	500000​	2,49​

Wenn man aber die Viskosität anschaut, bezweifel ich mal das Aufgrund der hohen Scherspannung dünnere Schichten als 0,08 mm mit der WLP überhaupt möglich sind.

 

[Ahaba]

Hallo zusammen, mal eine Frage in die Runde. An der Geometrie von Heatpreader und Kühler könnte man was ändern, lohnt es sich ev. beide Flächen zu läppen?

 

[紫 (ゆかり)]

Müsste mit dem Testbericht 'CPU-Heatspreader im Detail untersucht – müssen wir jetzt bei AMD und Intel umdenken? | Grundlagen' beantwortet sein. Siehe 'Man kann daraus wiederum einige Schlussfolgerungen ziehen:'

 

[Martin Gut]

Genau. Die Rauheit der Oberfläche ist definiv nicht das grosse Problem sondern schon eher im Bereich Kosmetik anzusiedeln. Bei Verformungen in der Grössenordnung von Zehntelmillimetern ist eher tüchtiges Schleifen als Läppen angesagt.

 

[Ahaba]

Da ist klar, die Oberflächenrauhigkeit ist (in gewissen Grenzen) weniger von Bedeutung als die Geometrie. Und ob drei zehntel Kupfer geläppt werden können oder geschliffen werden sollten - bleibt jedem selbst überlassen - läppen kann man von Hand präzise und schonend. CPU spannen, um maschinell zu schleifen (alles andere wird nicht genau) hmm?
Aber die Kernaussage ist also, zwei nahezu ebene Flächen hoher Oberflächengüte garantieren das beste Ergebnis?
Ich werde das mit einer alten CPU und entsprechendem Kühler versuchen

 

[hansdampf]

Aber die Kernaussage ist also, zwei nahezu ebene Flächen hoher Oberflächengüte garantieren das beste Ergebnis?

Ja weil die Kontaktoberfläche bei einer glatten Oberfläche am größten ist. Es ist aus Reibversuchen schon lange bekannt, dass der Reibwert bei einer glatten und polierten Fläche größer ist als der einer rauhen Fläche. Aber natürlich muss man auch hier aufpassen, denn das hängt von der Korngröße ab. Ist die Korngröße des Reibkörpers als Median deutlich größer als der glatten Oberfläche, dann würde hier der Reibwert abnehmen. Bei der WLP ist die Rauhigkeit eher sekundär. Die WLP hat eine Schichtdicke als Median von 80 Mikrometer, so rauh und uneben sind noch nicht mal die Heatspreader (siehe Bericht von Igor) mit ihrer doch sehr schlechten Oberflächengüte.

 

[ge0815]

Erst einmal ein Danke @Igor für diesen Artikel (wieso eigentlich keinen separaten Foren-Thread?).
Gibt es denn Infos, wie groß der thermische Widerstand zwischen Die und Heatspreader ist? Auch wenn Indium ein besserer Wärmeleiter ist als alle Pasten (Wikipedia sagt 81,6 W/(mK) für reines Indium), wird die Schichtdicke zwischen Die und Heatspreader bestimmt größer sein. (Intel-Wärmeleitpaste zwischen Die und IHS mal außen vorgelassen.)

Ich möchte nicht Linsen zählen aber prinzipiell würde ich bei der hohen Wärmedichte der CPU und der geringen dicke des 'Heatspreaders' als effektive Fläche das CPU Die für die Berechnung heranziehen. Wie schlecht der Heatspreader funktioniert sieht man derzeit wunderbar beim Vergleich von AMD und Intel CPUs. Die großen Intel Dies erlauben deutlich mehr Verlustleistung.

Die Reihenschaltung thermischer Widerstände lässt sich genauso aufsummieren wie die Reihenschaltung elektrischer Widerstände. Man könnte ja mal die Temperaturdifferenz zwischen Die und IHS berechnen, um mal die Pasten in Relation dazu zu sehen. Wie Ultimaex sagt, würde ich auch davon ausgehen, dass als Fläche des IHS eher die des Dies zu nehmen ist. Der Begriff "Heatspreader" müsste auf Deutsch eigentlich DAU-Die-Schutz heißen, denn Hauptaufgabe war und ist nicht die Verteilung der Hitze. Das sollen dann lieber die Kühlerfinnen machen.

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Das Datenblatt dieser Wärmeleitpaste beinhaltet auch einen interessanten Graphen:

Das steht etwas im Widerspruch zu Igors Aussage von "Und das mit dem höchstmöglichen Anpressdruck ist auch so eine Urban Legend. Man benötigt wirklich nur so viel Druck, dass der Kühler fest und nicht locker sitzt. Natürlich muss die Paste soweit gedrückt werden, dass sie luftfrei die Lücken schließt und dabei auch die dünnstmögliche Schicht ergibt."
Also ganz so Urban Legend ist es dann ja wohl nicht... außer man bewegt sich von Haus aus schon im Bereich von >25N/cm

 

[Igor Wallossek]

Also ganz so Urban Legend ist es dann ja wohl nicht... außer man bewegt sich von Haus aus schon im Bereich von >25N/cm

Es gibt für alle Sockel Obergrenzen die niedriger sind als man glauben mag. Auch die Befestigungen der Kühler haben Stopper bzw weiches Material, das dann nachgibt. Wer zu viel Druck ausübt, wird den IHS und den Kühlerboden eher verformen, den Sockel ggf. beschädigen und/oder das PCB darunter. Das mit dem Druck klappt nur, würde man ihn gleichmäßig auf der gesamten Fläche erhöhen können. Genau das geht aber an dem von mir genannten Punkt nicht mehr. Der C621 hat z.B. sogar noch die Schrauben mittig... Ich habs getestet und mal den Bogen überspannt. Festziehen, messen, weiter festziehen, messen... Es bringt kaum noch einen praktischen Mehrwert.

 

[Martin Gut]

Gibt es denn Infos, wie groß der thermische Widerstand zwischen Die und Heatspreader ist? Auch wenn Indium ein besserer Wärmeleiter ist als alle Pasten (Wikipedia sagt 81,6 W/(mK) für reines Indium), wird die Schichtdicke zwischen Die und Heatspreader bestimmt größer sein. (Intel-Wärmeleitpaste zwischen Die und IHS mal außen vorgelassen.)

Ich habe über die Daten, die ich über die Zeit so gefunden habe mal in eine Exceldatei gepackt und das durchgerechnet. Es sind natürlich viele Ungenauigkeiten und Schätzungen dabei, aber es zeigt doch etwas, in welche Richtung es geht (müsste ich noch kurz überarbeiten). Wenn du möchtest, kann ich dir die Datei zusenden. Kann man hier eigentlich Dateien an eine PN anhängen?

Intel hat für die stärkeren Prozessoreen der 9. Generation auf Indiumlot umgestellt. Die Temperaturen sind aber nicht besser sondern eher Problematischer geworden.
8. Generation:
- Silizium 0.44 mm, 83 W/mK, Delta T ca. 15 - 20 Grad
- Wärmeleitpaste, 0.2 mm, 5 - 10 W/mK, 30 - 40 Grad
- Heatspreader 3.1 mm, 384 W/mK, 5 - 10 Grad

9. Generation:
- Silizium 0.88 mm, 83 W/mK, Delta T ca. 30 - 40 Grad
- Indiumlot, 0.3 mm, 18 - 86 W/mK, 15 - 20 Grad
- Heatspreader 2.35 mm, 384 W/mK, 5 - 10 Grad

Die Gesammte Dicke ist ja gleich geblieben. Zur 10. Generation wurde das Silizium dann wieder auf 0.58 mm verringert, was die Situation etwas verbessert hat. (Heatpreader wieder etwas dicker)

Man sieht aber, dass eine so dicke Lotschicht auch nicht die Lösung aller Temperaturprobleme ist. Ich vermute, man hat die Schicht so dick gemacht, damit sie eine gewisse Beweglichkeit hat und bei Temperaturschwankungen keine Spannungen entstehen. Die Temperatur ist ja nicht das einzige, was beim Aufbau eines solchen Prozessors beachtet werden muss, auch wenn in Foren nur davon die Rede ist. Ich kann nicht beurteilen, ob eine dünnere Lotschicht gut machbar und sicher für die CPU wäre.

 

[LurkingInShadows]

@ge0815 : Interessanter ist, dass die Kurve die du da zeigst mit KP 93 beschriftet ist, die Paste aber mit KP 12.

Die 12 ist hier mit dabei. Wobei ich die elektrische Leitfähigkeit für spannend halte. (5€ Wortspielkasse inkl.)

 

[Loki]

Etwas aufpassen sollte man schon beim verteilen, nicht unbedingt auf die Unterseite der CPU auftragen ...
Bei einer Arctic Silver 5 ist/war das ja nicht anders

 

[hansdampf]

Intel hat für die stärkeren Prozessoreen der 9. Generation auf Indiumlot umgestellt. Die Temperaturen sind aber nicht besser sondern eher Problematischer geworden.
8. Generation:
- Silizium 0.44 mm, 83 W/mK, Delta T ca. 15 - 20 Grad
- Wärmeleitpaste, 0.2 mm, 5 - 10 W/mK, 30 - 40 Grad
- Heatspreader 3.1 mm, 384 W/mK, 5 - 10 Grad

9. Generation:
- Silizium 0.88 mm, 83 W/mK, Delta T ca. 30 - 40 Grad
- Indiumlot, 0.3 mm, 18 - 86 W/mK, 15 - 20 Grad
- Heatspreader 2.35 mm, 384 W/mK, 5 - 10 Grad

Das passt nicht, der Heatspreader war noch nie (Innenmaß) 3,1 mm dick. Das ist die Höhe von Auflagefläche Kühler zu Auflagefläche am PCB. Von diesen 3,1 mm wird die innere Aussparung abgezogen. Bestehend aus dem Die und der WLP/Lot. Wobei zu den 3,1 mm noch die Dichtfläche mit ~ 0,1 mm hinzu kommt. Effektiv sind es 2,2 - 2,7 mm

Auch stimmen die Werte nicht, insbesondere von Silizium. Pro mm sind es 12 K. Der Unterschied von 0,8 mm und 0,4 mm sind 4K und keine 15 K.

https://extreme.pcgameshardware.de/attachments/9900k-jpg.1049303/

https://extreme.pcgameshardware.de/attachments/t1-jpg.1049302/

 

[hansdampf]

Das Datenblatt dieser Wärmeleitpaste beinhaltet auch einen interessanten Graphen:
Anhang anzeigen 8995

Hier ist das besser aufgeschlüsselt:

Schichtdicke von WLP und Co

Update: https://www.computerbase.de/forum/threads/wie-duenn-kann-man-wlp-auftragen.1995316/ ------------------------------------------------------------ Update: Schichtdicke: Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anpresskraft und Temperatur bezüglich 9900 K Wurde nun überarbeitet, jeder...

www.computerbase.de

Der Anpressdruck wird benötigt um die WLP zu verdrängen. Natürlich kann man diese verstreichen, aber auch hier wird vom Kühler die WLP verdrängt. Das bedeutet, dass man mit der "Streichtechnik" gar nicht < 0,1 mm auftragen kann, das entspricht auch meiner Erfahrung. Werde ich aber noch mal im Update genauer untersuchen. Bei 200 N biegt sich bezüglich den Kühler noch nichts nennenswertes durch. Da bezüglich der WLP mit steigenden Druck die Viskösität zunimmt, verringert sich mit steigender Anpresskraft auch nicht mehr die Schichtdicke der WLP

 

[Martin Gut]

Pro mm sind es 12 K

Das kommt darauf an, wie gross man die Fläche die im Chip die Wärme erzeugt annimmt und von welcher Wärmemenge man ausgeht.

Warum wiedersprichst du mir? Du belegst, dass der 9900k nur einen 2.3 mm dicken Heatspreader hat. Das habe ich ja auch gesagt.

Comet Lake-S: Mit Flüssigmetall um bis zu 7 °C kühler - Hardwareluxx

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www.hardwareluxx.de

 

[hansdampf]

Das kommt darauf an, wie gross man die Fläche die im Chip die Wärme erzeugt annimmt und von welcher Wärmemenge man ausgeht

Ja aber trotzdem sind es keine 15 - 20 K, denn bezüglich 12 K/ mm ist der Bezug bei 1,02 W/mm² und das ist schon sehr viel, darum wird der 9900K auch so heiß, da dieser eine sehr große Wärmestromdichte hat. Die GPU einer 1080 TI liegt bei ~ 0,4 W/mm², ein 2990WX bei 0,58 W/mm².
Du hast Bezüglich von der 8. Generation von 3,1 mm gesprochen. Die Heatspreader haben wegen der Kühlerkompatibilität nun mal ~ 3,1 - 3,2 mm, von daher kann 3,1 mm niemals die effektive Dicke der Innenaussparung sein.

 

[Martin Gut]

Beim 9900k wird die meiste Wärme in den Kernen auf einer Fläche von ca. 13 x 4 mm erzeugt. Darum wird es dort bedeutend wärmer, als wenn man mit einer regelmässigen Verteilung auf die ganze Chipfläche rechnet. Bei einer Grafikkarte kann man von einer recht gleichmässigen Verteilung ausgehen.

 

[hansdampf]

Ich möchte gerne auch mal mit einen Bild beitragen:




Für trocken schleifen gar nicht mal so schlecht, auch wenn das 7000er nicht mehr viel gegenüber den 5000er bewirkt hat. Aber mir Ra ~ <0,1 mu reicht das für den Test vollkommen. Wobei das aber auf den Bildern schlechter ausschaut als in Wirklichkeit.

 

[Ultimaex]

Ich möchte gerne auch mal mit einen Bild beitragen:

Anhang anzeigen 9027


Für trocken schleifen gar nicht mal so schlecht, auch wenn das 7000er nicht mehr viel gegenüber den 5000er bewirkt hat. Aber mir Ra ~ <0,1 mu reicht das für den Test vollkommen. Wobei das aber auf den Bildern schlechter ausschaut als in Wirklichkeit.

Wenn die Oberfläche extrem glatt und plan ist UND die CPU gelapt ist kannst du mal ein simples Silikonfett probieren. Das hat zwar eine bescheidene Leitfähigkeit aber du bekommst extrem geringe Schichtdicken hin sofern die Toleranzen das zulassen. Bei einer WLP ist die Dicke immer durch die Körnung limitiert und darüber erfährt man als Privatmann meist nichts vom Hersteller.

 

[hansdampf]

Bin mit der Auswertung noch nicht fertig, aber:

Wie dünn kann man WLP auftragen ?​

Hier mal ein Teaser


Der geglättete Kühler scheint nach den neuen Abdruckbildern einiges bewirkt zu haben, denn insbesondere bei über 20 kg werden die Schichten nach den Bildern wohl noch dünner, genaueres wir die Auswertung zeigen, die ich dann als Update im ursprünglichen Thread veröffentlichen werde.

Bilder mit der Bezeichnung Mess6 1.3 kg - 68 kg wurden als mittiger Punkt, wie im ursprünglichen Thread, aufgetragen. Hier als Beispiel mal die Kryonaut.

Die Bilder 32 - 36 beziehen sich auf einer verstrichenen Auftragung mit dem entsprechenden Hilfsmittel und so das sich eine dünn wie mögliche Schicht ohne Lufteinschlüsse erreichen lies. Aufgetragen wurden mit der punktförmigen Technik 0,133 g, mit der "Streichtechnik" 0,165 g

Wie man anhand der Abdruckbilder sehen kann, wird mit der, nur 1,3 kg schweren, Glasplatte die verstrichene Schicht trotzdem "komprimiert". Bild 35 entstand unmittelbar nach dem auflegen der Glasplatte, Bild 36 einige Minuten später. Wie man erkennen kann, unterscheidet sich dies nicht von dem Bild Mess6 1,3 kg mit der punktförmigen Auftragung. Wie ich bereits in meinen ursprünglichen Thread erwähnt habe, spielt die Auftragetechnik keinerlei eine Rolle und man kann aufgrund der hohen Viskosität niemals mit der Hand dünner auftragen, als das Abdruckbild selbst mit einem kaum angezogenen Kühler.

Hier dann mal demnächst ein Update:

Schichtdicke von WLP und Co

Update: https://www.computerbase.de/forum/threads/wie-duenn-kann-man-wlp-auftragen.1995316/ ------------------------------------------------------------ Update: Schichtdicke: Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anpresskraft und Temperatur bezüglich 9900 K Wurde nun überarbeitet, jeder...

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