Das ultimative Wärmeleitpasten- und Pad-Kompendium: Anwendung, Bestandteile, Herstellung, Optimierung, Alterung, Gewinnmargen und Marketing

1 - Die drei großen P - Einführung zu Pasten, Pads und Putty 2 - Sinn und Zweck von Wärmeleitpasten 3 - Die große Abrechnung zwischen billig und teuer 4 - Die Matrix als Basis aller Pasten und Pads 5 - Silikonbasierte Pasten: Optimierung, Haltbarkeit, Zersetzung 6 - Wärmeleitende Füllstoffe sind wichtig 7 - Wie der Mahlgrad die Performance beeinflusst 8 - Silikon-Modifikation für Niedrigtemperaturen und LN2-Overclocking 9 - Der Herstellungsprozess von Pasten samt möglicher Hürden 10 - Sonderfall Flüssigmetall (LM) 11 - Sonderfall Graphitpads und Phase Changer 12 - Temperaturfenster, Ausdehnungsverhalten, Applikation 13 - Alterung und Zersetzung von Pasten und Pads 14 - Hersteller vs. Abfüller, irreführendes Marketing und Fazit

Flüssig-Metall (LM)

Flüssigmetall-Wärmeleitpasten stellen eine innovative Lösung im Bereich der Wärmeableitung von Hochleistungselektronik dar. Durch ihre einzigartigen Eigenschaften bieten sie im Vergleich zu traditionellen Wärmeleitpasten eine verbesserte thermische Leitfähigkeit. Diese Pasten basieren hauptsächlich auf Galliumlegierungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind und ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Der Einsatz von Flüssigmetall in Wärmeleitpasten bringt jedoch spezifische Herausforderungen und Sicherheitsbedenken mit sich. Sie zeichnen sich durch ihre außergewöhnlich hohe thermische Leitfähigkeit aus, die deutlich über der von herkömmlichen Wärmeleitpasten liegt. Diese hohe Leitfähigkeit ist auf die metallische Natur der Galliumlegierungen zurückzuführen, die einen direkten und effizienten Wärmetransfer zwischen CPU/GPU und Kühler ermöglichen. Gallium bildet mit anderen Metallen wie Indium und Zinn Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig bleiben und eine hervorragende Benetzung der Kontaktflächen ermöglichen. Soweit die Theorie, aber es gibt natürlich auch ein Aber…

Gallium spielt eine zentrale Rolle in der Effizienz von Flüssigmetall-Wärmeleitpasten aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur und hohen thermischen Leitfähigkeit. Es ermöglicht eine nahezu perfekte Anpassung an die Kontaktflächen und minimiert den thermischen Widerstand. Trotz der Vorteile von Gallium suchen Forscher und Entwickler immer noch nach Alternativen, die ähnliche thermische Eigenschaften bieten, jedoch ohne die damit verbundenen Nachteile wie Korrosion und elektrische Leitfähigkeit. Mögliche Alternativen umfassen fortgeschrittene keramikbasierte Pasten und Kohlenstoffmaterialien wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren, die ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit bieten, aber elektrisch isolierend sind und keine Korrosionsprobleme verursachen. Aber das hatte ich ja bereits ausführlich beschrieben.

Herausforderungen und Sicherheitsbedenken

Gallium und seine Legierungen können mit bestimmten Metallen wie Aluminium reagieren, was zur Korrosion und damit zur Beschädigung von Kühlern und anderen Komponenten führen kann. Diese Reaktion ist besonders problematisch bei Kühlern aus Aluminium oder bei Kontaktstellen, die aus diesem Material bestehen. Flüssigmetall-Wärmeleitpasten sind elektrisch leitend, was bei unsachgemäßer Anwendung das Risiko von Kurzschlüssen und Beschädigungen an elektronischen Bauteilen erhöht. Aufgrund ihrer Flüssigkeit erfordern diese Pasten eine sorgfältige und präzise Anwendung, um Überlauf und Verschmutzung benachbarter Bauteile zu vermeiden:

Verhärtung von Kühlern

Die Verhärtung von Kühlern bezieht sich auf die dauerhafte Beschädigung oder Veränderung der Oberfläche durch chemische Reaktionen zwischen dem Kühlermaterial und der Flüssigmetall-Wärmeleitpaste. Um das Risiko einer Verhärtung zu minimieren, empfiehlt es sich, Kühlkörper aus Materialien zu verwenden, die nicht mit Gallium reagieren, wie z.B. Nickel- oder Kupferlegierungen.

Phasenwechsel-Pads aus Metall (PCM)

Solche speziellen Pads bieten eine vielversprechende Alternative, indem sie die Vorteile der Phasenänderungswärme nutzen, um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, ohne dabei die Nachteile flüssiger Metalle in Kauf nehmen zu müssen. Phasenwechselmaterialien absorbieren oder emittieren Wärme bei einem Übergang zwischen festen und flüssigen Zuständen, was zu einer effizienten Wärmespeicherung oder -abfuhr führt. Metallbasierte PCMs nutzen die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen und deren Legierungen, um schnelle und effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen. Im Kontext der Kühlung wandeln MPCPs Wärme in latente Energie um, anstatt sie nur durch Leitung zu übertragen.

Die Herstellung von MPCPs erfordert Präzisionsverfahren, die eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und Mikrostruktur des Metalls oder der Legierung sicherstellen. Dies kann durch Methoden wie das Gießen unter kontrollierten Bedingungen, das Sintern von Metallpulvern oder durch elektrochemische Abscheidung erfolgen. Die Herausforderung besteht darin, ein Material mit einem geeigneten Schmelzpunkt, hoher Wärmeleitfähigkeit und guter mechanischer Stabilität in seinen festen und flüssigen Phasen zu entwickeln.

Die  MPCPs bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen TIMs, einschließlich Flüssigmetallen wie z.B. eine effiziente Wärmeübertragung, wo die Nutzung der latenten Wärme  eine effizientere Wärmeübertragung im Vergleich zur reinen Wärmeleitung. Im festen Zustand besteht kein Risiko eines Austritts, was die Handhabung und Langzeitstabilität verbessert und das Risiko von Leckagen verringert. MPCPs können sich außerdem bei Erwärmung ausdehnen, um Mikrolücken zu füllen, und beim Abkühlen wieder fest werden, wodurch eine optimale Anpassung an Oberflächen gewährleistet wird. Die Fähigkeit, zwischen festen und flüssigen Zuständen ohne signifikante Leistungseinbußen zu wechseln, erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Dass die Handhabung trotz aller Entwicklungsfortschritte nicht immer ganz problemlos ist, zeigt auch einer meiner Artikel aus der täglichen Praxis:

Flüssigmetall-Pad im Praxis-Test – Segen oder Fluch? Wie der magische Burn-In sicher gelingt! | Tutorial