Praxis: Wärmeleitpads richtig auswählen, einsetzen und beurteilen – Messungen statt Mythen

1 - Einführung und Grundlegendes zur Pad-Auswahl 2 - Wir gehen etwas mehr in die Tiefe (und Stärke) 3 - Messung: Dünne und harte Pads 4 - Messung: Dünne und weiche Pads 5 - Messung: Dicke, ultra-softe Pads 6 - Messung: Thermal Putty, Pad-Stapel, Empfehlung und Fazit

Wärmeleitpads (auch als thermische Schnittstellenmaterialien bzw. TIM bezeichnet) sind weit verbreitete Lösungen, um Wärme zwischen unebenen oder unterschiedlich hohen Komponenten in elektronischen Geräten zu übertragen. Ihr Einsatz bietet sowohl Vorteile als auch potenzielle Nachteile, die von der Materialauswahl, der Verarbeitungsqualität und den spezifischen Einsatzbedingungen abhängen. Der Sinn von Wärmeleitpads liegt in ihrer Flexibilität und der Fähigkeit, unebene Oberflächen oder größere Spalte auszugleichen. Dabei spielen die Schichtstärke und der Shore-Wert eine zentrale Rolle. Betrachtet man, so wie wir heute, den Einsatz auf Grafikkarten und Mainboards, dann sind Pads mit einem weichen Shore-Wert (typischerweise unterhalb von 35 Shore 00 bis maximal 70 Shore 00 das Mittel der Wahl (neben Thermal Putty), denn sie ermöglichen eine bessere Anpassung an Oberflächen, reduzieren den Anpressdruck und minimierten mechanischen Stress auf empfindliche Komponenten (Ausdehnung!). Dies ist besonders bei dünneren Pads wichtig, weil dann ein härteres Material bei geringem Abstand unzureichenden Kontakt und bei unpassender Stärke auch zu viel Druck verursachen könnte. Das werden wir heute natürlich alles untersuchen.

Warum eine Pauschalangabe zu der Wärmeleitfähigkeit in W/m·K gar nicht möglich ist

Die Angabe der Wärmeleitfähigkeit in W/mK bei Wärmeleitpads ist irreführend und technisch nicht direkt aussagekräftig, da sie weder die tatsächliche Performance des Pads noch die komplexen Bedingungen in der Praxis widerspiegelt. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt lediglich die Materialeigenschaft in einem idealisierten, homogenen Zustand, was bei Wärmeleitpads durch die Mischung aus polymerer Matrix und Füllstoffen nicht gegeben ist. Zudem berücksichtigt diese Angabe weder den realen Kontakt zu den Oberflächen noch die Auswirkungen von Lufteinschlüssen, Unebenheiten oder dem Anpressdruck.

Entscheidender für die Funktion eines Wärmeleitpads ist das Verhalten beim Zusammenpressen und der resultierende thermische Interface-Widerstand, da diese Faktoren den tatsächlichen Wärmetransport an der Schnittstelle bestimmen. Nur bei ausreichendem Druck und Verformung kann das Pad Unebenheiten ausgleichen, Lufteinschlüsse minimieren und eine größere Kontaktfläche schaffen. Ein hoher W/mK-Wert allein garantiert keine gute Leistung, wenn der Interface-Widerstand aufgrund schlechter Anpassung hoch bleibt. Genau das beweise ich gleich noch anhand von exakten Messungen, denn dieser Verpackungsaufdruck eines 1-mm-Pads ist schlichtweg falsch (ich zeige später noch, wieso):

Das Verbreiten von Mythen über W/mK-Werte führt Kunden in die Irre, da diese oft als alleiniger Qualitätsindikator missverstanden werden. Da die Wärmeleitung in realen Anwendungen von vielen Parametern abhängt, sollte der Fokus auf praktischen Leistungskennwerten wie dem thermischen Widerstand des Gesamtsystems liegen. Wer als Hersteller oder Anbieter unrealistische Versprechen macht, riskiert nicht nur enttäuschte Kunden, sondern schadet langfristig der Glaubwürdigkeit der gesamten Branche. Schweigen ist hier tatsächlich besser, als mit vereinfachten und unzutreffenden Aussagen Fehlinformationen zu verbreiten. Das betrifft auch diverse Foren, wo solche Angaben von “Experten” immer wieder eingefordert werden, die an der Realität leider meilenweit vorbeidriften. Aber auch diesen Beweis erbringe ich gerne.

Der Härtegrad als sogenannter Shore-Wert

Ich will die Theorie jetzt nicht übertreiben, aber etwas Grundwissen muss leider sein: Die sogenannten Shore-Werte geben die Härte eines Materials an, gemessen nach standardisierten Verfahren, und sind für Wärmeleitpads entscheidend, da sie deren Anpassungsfähigkeit und mechanisches Verhalten beeinflussen. Für Grafikkarten und Mainboards, wo Wärmeleitpads typischerweise unebene Oberflächen und unterschiedlich hohe Komponenten überbrücken müssen, sind Shore-Werte im Bereich von 25 bis 70 Shore 00 relevant. Aber auch hier müssen wir noch einmal unterscheiden.

Niedrigere Shore-Werte (etwa 25 bis 50 Shore 00) ermöglichen eine gute Anpassung an unregelmäßige Strukturen und erfordern weniger Anpressdruck, was mechanische Belastungen auf empfindliche Bauteile, die sich auch ausdehnen können, reduziert. Dies ist besonders wichtig bei GPU- und VRAM-Modulen, da hier oft größere Höhenunterschiede auftreten. Härtere Pads (etwa 50-70 Shore 00) können hingegen bei flachen und gleichmäßigen Oberflächen vorteilhaft sein, da sie stabiler bleiben und bei dünneren Schichtdicken nicht so leicht verformen. Die Wahl des Shore-Werts muss daher die mechanischen Gegebenheiten und den Anpressdruck der jeweiligen Anwendung berücksichtigen! Ich würde ein Wärmeleitpad, dessen Härte nicht angegeben ist, definitiv nicht kaufen, wenn ich es nicht kenne.

Welches Pad für welche Anforderung? Eine Verallgemeinerung

Im Gegensatz zum Thermal Putty, wo solche Überlegungen eher überflüssig sind, muss man bei der Auswahl des geeigneten Pads wirklich Sorgfalt walten lassen. Der geeignete Härtegrad (Shore-Wert) eines Wärmeleitpads hängt nämlich sehr stark von der Art der Oberflächen und den Anforderungen der jeweiligen Bauteile ab. Für aktive und passive Komponenten gelten unterschiedliche Prioritäten, da sowohl die thermische Anforderung als auch die mechanische Belastbarkeit variieren. 

Weichere Wärmeleitpads mit einem Shore-Wert von etwa 25-50 Shore 00 eignen sich gut für unebene Oberflächen oder empfindliche Bauteile wie MOSFETs und Speichermodule (VRAM) bei größeren Spaltmaßen von mehr als 1 mm. Diese Bauteile sind zudem noch oft unterschiedlich hoch oder befinden sich in mechanisch kritischen Bereichen, sodass ein weicheres Pad für bessere Anpassung sorgt und mechanischen Stress auf Lötstellen oder Bauteile minimiert. MOSFETs erzeugen zudem hohe Wärmeströme, weshalb eine optimale Kontaktfläche besonders wichtig ist, um den thermischen Widerstand zu reduzieren.

Höhere Shore-Werte von 50-70 Shore 00 werden bevorzugt bei flachen und gleichmäßigen Oberflächen und spaltmaßen von 1 mm und weniger eingesetzt, wie sie bei passiven Komponenten wie Spulen oder großflächigen Kühlkörpern (Heatsinks) vorkommen, wo natürlich auch VRAM angebunden sein kann. Härtere Pads behalten ihre Form besser bei und verhindern, dass sich das Material unter Anpressdruck seitlich verformt, was bei großen Bauteilen oder gleichmäßigen Kontaktflächen wichtig ist. Dies ist insbesondere bei dünnen Pads sinnvoll, wo ein weiches Material durch Kompression seine Funktion verlieren könnte.

Die Oberflächen von Kühlkörpern (Heatsinks) unterscheiden sich stark in ihrer Rauheit und Beschaffenheit. Hochwertige Kühlkörper haben oft polierte oder sehr glatte Oberflächen, die den direkten Kontakt mit dem Wärmeleitpad verbessern. Günstigere Heatsinks hingegen können raue oder strukturierte Oberflächen haben, die durch weiche Wärmeleitpads ausgeglichen werden müssen. Glatte Oberflächen begünstigen die Wärmeübertragung, da weniger Lufteinschlüsse entstehen, während raue Oberflächen höhere mechanische Anforderungen an das Pad stellen, um Unebenheiten auszufüllen. Ergo benötigen unebene, raue oder empfindliche Bauteile weichere Pads für gute Anpassung und minimalen Stress. Glatte, gleichmäßige Oberflächen profitieren dagegen von härteren Pads, die eine stabile und dauerhafte Kontaktfläche gewährleisten. Die Wahl sollte immer die mechanischen und thermischen Anforderungen der spezifischen Anwendung berücksichtigen.