Der Pump-Out-Effekt ist ein bekanntes und leidiges Problem bei der Anwendung von Wärmeleitpasten CPUs, GPUs und anderen thermisch hochbelasteten elektronischen Komponenten. Er beschreibt die Verdrängung der Wärmeleitpaste aus dem Kontaktbereich zwischen z.B. Prozessor und Kühlkörper, typischerweise infolge von Temperaturzyklen oder mechanischen Belastungen. Dies führt zu einer Reduktion der Wärmeübertragungsfähigkeit und kann langfristig die Funktionalität und Lebensdauer der betroffenen Systeme gefährden bzw. sogar zum Totalausfall führen.
Die Mechanismen hinter diesem Effekt sind eng mit den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Paste verknüpft und dem Normalanwender weitgehend unbekannt. Genau das möchte ich gern ändern, zumal genau diese Fragen natürlich auch immer wieder im Zusammenhang mit meiner Wärmeleitpastendatenbank und der dort getroffenen Haltbarkeitsabschätzung auftauchen. In diesem Beitrag werde ich Ursachen des Pump-Out-Effekts systematisch analysieren, ergänzt mit möglichen Maßnahmen zu dessen Vermeidung und der Erkärung meines Testaufbaus für die Abschätzung eines möglichen Verhaltens so einer Paste.
Ursachen des Pump-Out-Effekts
Der Pump-Out-Effekt beruht auf einem komplexen Zusammenspiel aus thermischen, mechanischen und chemischen Faktoren. Ein zentraler Grund ist die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bestandteile der Wärmeleitpaste. Die Matrix der Paste, meist bestehend aus Silikonen oder Polymeren, hat einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die darin eingebetteten Füllpartikel oder die festen Kontaktflächen aus Metall. Bei wiederholten Temperaturzyklen führt dies zu Spannungen, die die Paste an den Rand des Kontaktbereichs drücken.
Ein weiterer wichtiger Aspekt in diesem Zusammenhang ist das Ausgasen der Wärmeleitpaste. Viele Pasten bestehen aus flüchtigen organischen Verbindungen, die bei höheren Temperaturen verdampfen können. Dieser Prozess, auch „Outgassing“ genannt, führt zu einer Veränderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Paste. Mit der Zeit kann dies die thermische Leitfähigkeit verringern und Rückstände auf angrenzenden Bauteilen hinterlassen. Diese Rückstände können potenziell korrosiv wirken oder die Funktion empfindlicher elektronischer Komponenten beeinträchtigen. Hier spielen auch mögliche Lufteinschlüsse eine Rolle, die bei schlechter Herstellung oder unsachgemäßer Abfüllung entstehen können. So etwas ist immer ein guter Indikator für eine Paste mit begrenzer Langzeithaltbarkeit.
Neben den thermischen Spannungen spielt die mechanische Bewegung zwischen den Kontaktflächen eine Rolle. Während des Betriebs von Prozessoren oder GPUs können durch Vibrationen oder minimale Relativbewegungen Scherkräfte auftreten, die die Paste seitlich verdrängen. Die Matrix, die bei höheren Temperaturen ihre Viskosität verringert, bietet diesen Kräften weniger Widerstand und wird dadurch leichter aus dem Kontaktbereich herausgedrückt.
Ein weiterer Faktor ist die mangelnde Haftung der Paste an den Kontaktflächen. Unterschiede in den chemischen Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den Oberflächenmaterialien fördern die Verdrängung. Indikator für eine gute Haftung ist auch der von mir immer ermittelte Kontaktwiderstand, also der sogenannte Interface-Widerstand. Hiervon kann man ableiten, wie gut sich die Oberfläche des Materials an die Kontaktflächen (IHS, Heatsink) “anschmiegt”. Auch diese Werte sind in der Datenbank gut vergleichbar und aussagefähig, da es immer dieselben, kalibrierten Referenzblöcke sind. Wie man diesen Wert ermittelt, habe ich ja oft genug in den verlinkten Grundlagen ausführlich erklärt, das spare ich mir an dieser Stelle. Aber es ist der Wert, der bei sehr geringen BLT einen großen Einfluss nehmen kann. Hier seht Ihr einmal den Auszug aus meiner Datenbank:
Wenn die Matrix mit steigendem Dampfdruck flüchtige Bestandteile verliert, kommt es zu einem Volumenverlust, der die mechanische Stabilität weiter reduziert. Ebenso beeinflusst die Schichtgeometrie der Paste den Effekt. Dünne Schichten, die notwendig sind, um die thermische Widerstandsfähigkeit gering zu halten, sind besonders anfällig für thermische Spannungen und mechanische Verdrängungen. Die Alterung der Paste trägt ebenfalls zum Pump-Out-Effekt bei. Wiederholte Temperaturzyklen können die chemische Struktur der Matrix verändern, was ihre Elastizität und Haftfähigkeit reduziert. Solche Prozesse verstärken die Degradationsmechanismen und erhöhen die Anfälligkeit für den Pump-Out-Effekt über längere Zeiträume.
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