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

Das optimale Temperaturfenster ist extrem wichtig!

Die Effizienz von Wärmeleitpasten hängt signifikant von ihrem Verhalten innerhalb bestimmter Temperaturbereiche ab. Ein optimales Temperaturfenster ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer effizienten Wärmeübertragung, während ein Aushärten der Paste ihre Wirksamkeit verringern kann. Das hatte ich ja bereits bei den sogenannten LN2-Pasten erwähnt und die Sinnlosigkeit solch teurer Spezialpasten im täglichen Einsatz begründet. Das optimale Temperaturfenster von Wärmeleitpasten bezieht sich auf den Bereich, in dem die Paste ihre besten thermischen Übertragungseigenschaften behält, ohne dass es zu einer Degradation ihrer physikalischen Zustände kommt.

Innerhalb dieses Fensters behält die Paste eine geeignete Viskosität bei, die eine minimale thermische Widerstandsschicht zwischen den Kontaktflächen gewährleistet. Zu niedrige Temperaturen können die Paste verhärten und ihre Fließfähigkeit verringern, während zu hohe Temperaturen zu einer Separation der Bestandteile oder zu einer Verflüssigung führen können, die die Effektivität der thermischen Schnittstelle verringert. Verschiedene Faktoren beeinflussen dabei das Temperaturfenster, in dem eine Wärmeleitpaste effektiv funktioniert:

• Chemische Zusammensetzung:
  Die Basispolymere, Füllstoffe und Additive bestimmen die thermische Stabilität und Viskosität der Paste.
• Füllstoffmaterial und -konzentration:
  Füllstoffe wie Aluminiumoxid, Boronitrid, Kupfer oder Silber verbessern die thermische Leitfähigkeit, beeinflussen aber auch das Verhalten der Paste bei unterschiedlichen Temperaturen.
• Aushärtungsmechanismus:
  Einige Wärmeleitpasten härten aus, um eine dauerhafte Bindung zu bilden, was ihr Temperaturverhalten beeinflussen kann.

Das sogenannte Aushärten bezieht sich auf den Prozess, bei dem eine Wärmeleitpaste von einem anfänglich pastösen Zustand in einen festeren, oft weniger elastischen Zustand übergeht. Dies kann durch chemische Reaktionen, Verdunstung von Lösungsmitteln oder durch physikalische Veränderungen wie die Absorption von Feuchtigkeit aus der Umgebung verursacht werden. Obwohl das Aushärten in einigen Anwendungen wünschenswert sein kann, um eine langfristige Stabilität der Wärmeübertragung zu gewährleisten, kann es auch zu Problemen führen.

Ein ausgehärtetes Material kann Risse bilden oder sich von den Oberflächen ablösen, was zu erhöhtem thermischen Widerstand führt. Die Fähigkeit der Paste, kleine Unregelmäßigkeiten in den Kontaktflächen auszugleichen, kann verringert sein (reduzierte Anpassungsfähigkeit) und es kann zu Schwierigkeiten bei der Wartung führen, denn einmal ausgehärtete Pasten sind schwieriger zu entfernen oder zu ersetzen, was die Wartung erschwert.

Um die negativen Auswirkungen des Aushärtens zu minimieren und das optimale Temperaturfenster zu erweitern, können verschiedene Strategien angewendet werden. Da wäre einerseits die Auswahl von Pasten mit hoher thermischer Stabilität, denn durch die Auswahl von Materialien, die speziell für hohe Temperaturen konzipiert sind, kann das Risiko einer Degradation verringert werden. Eine regelmäßige Überprüfung der Wärmeleitpaste auf Anzeichen von Aushärten oder Degradation kann zudem eine rechtzeitige Wartung anmahnen und erleichtern. Andererseits empfiehlt sich von Anfang an die Verwendung von Pasten mit geringem Aushärtungsrisiko, denn für Anwendungen, bei denen Flexibilität über einen langen Zeitraum erforderlich ist, sollten nur solche Pasten gewählt werden, die bekanntermaßen ein geringeres Aushärtungsrisiko aufweisen.

Das Verständnis des optimalen Temperaturfensters von Wärmeleitpasten und der Auswirkungen des Aushärtens ist entscheidend für die Auswahl und Anwendung dieser Materialien in thermischen Managementanwendungen. Durch die sorgfältige Auswahl der Paste, die auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung und das erwartete Temperaturspektrum abgestimmt ist, können Ingenieure die Leistung elektronischer Systeme maximieren und gleichzeitig die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sicherstellen. Nur müssen sie es auch wollen und der Controller nicht zur übertriebenen Sparsamkeit aufrufen.

Unterschiedliches Ausdehungsverhalten von Aluminium und Kupfer auf einem Heatsink sowie Optimierungsmöglichkeiten

Aluminium und Kupfer sind zwei der am häufigsten verwendeten Materialien für Kühlkörper (Heatsinks) im PC-Bereich, wobei jedes Material einzigartige Eigenschaften und thermische Ausdehnungsverhalten aufweist. Diese Unterschiede beeinflussen nicht nur die direkte Wärmeabfuhrleistung, sondern auch die Wahl der optimalen Wärmeleitpaste, um eine effiziente thermische Schnittstelle zwischen dem Kühlkörper und der Wärmequelle zu gewährleisten. Da sollte man auch einmal einen Blick auf die thermische Ausdehnungskoeffizienten werfen!

Aluminium:
Aluminium hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 23 x 10^-6 /°C. Dies bedeutet, dass es sich bei Erwärmung relativ stark ausdehnt und bei Abkühlung entsprechend zusammenzieht. Aluminium ist leicht, kostengünstig und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, was es zu einer beliebten Wahl für viele PC-Kühlungsanwendungen macht.

Kupfer:
Kupfer hat einen etwas niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 17 x 10^-6 /°C. Kupfer bietet eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, die besser ist als die von Aluminium, ist aber schwerer und teurer. Aufgrund seines geringeren Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu Aluminium und seiner höheren Wärmeleitfähigkeit wird Kupfer oft in High-End- oder spezialisierten Kühlungsanwendungen verwendet, wo eine maximale Wärmeabfuhr erforderlich ist.

Die unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten von Aluminium und Kupfer haben direkte Auswirkungen auf die Auswahl und Optimierung der Wärmeleitpaste. Eine ideale Wärmeleitpaste muss in der Lage sein, die thermische Lücke zwischen der CPU/GPU und dem Kühlkörper effektiv zu überbrücken, dabei aber auch die unterschiedlichen Ausdehnungseigenschaften der Materialien berücksichtigen, um mechanische Spannungen zu minimieren. Für Aluminiumkühlkörper gilt: Aufgrund der höheren thermischen Ausdehnung von Aluminium ist es wichtig, eine Wärmeleitpaste zu wählen, die eine gute Flexibilität und Elastizität aufweist, um die Ausdehnung und Kontraktion des Materials ohne Rissbildung oder Ablösung der Paste zu kompensieren. Pasten mit einer gewissen Dämpfungseigenschaft können helfen, die mechanischen Spannungen zu absorbieren, die durch die Ausdehnung verursacht werden.

Bei Kupferkühlkörpern, die eine geringere thermische Ausdehnung aufweisen, ist die Auswahl einer Wärmeleitpaste mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit prioritär, um die effiziente Wärmeübertragung vom Chip zum Kühlkörper zu maximieren. Die mechanische Spannung durch thermische Ausdehnung ist weniger kritisch als bei Aluminium, was bedeutet, dass die Paste stärker auf eine optimale thermische Leitfähigkeit ausgerichtet sein kann.

Um die Passform zwischen Kühlkörpermaterial und Wärmeleitpaste zu optimieren, sollten bestimmte Überlegungen berücksichtigt werden. Die Anpassung an die thermische Dynamik ist grundlegend, denn die Wärmeleitpaste sollte nicht nur für die statischen Eigenschaften des Kühlkörpermaterials ausgewählt werden, sondern auch für die thermische Dynamik der Anwendung. Dies beinhaltet Überlegungen wie die Betriebstemperatur und die Wärmelast. Die Paste sollte zudem eine hohe Langzeitstabilität aufweisen und nicht austrocknen, aushärten oder sich bei den Betriebstemperaturen, die durch die spezifischen Materialien des Kühlkörpers beeinflusst werden, zersetzen.

Die Kompatibilität mit Oberflächenbehandlungen ist ebenfalls zu beachten, denn einige Kühlkörper können Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen aufweisen, die die Adhäsion und die thermische Leitfähigkeit der Wärmeleitpaste beeinflussen. Die Paste sollte mit diesen Behandlungen kompatibel sein, um eine effektive thermische Schnittstelle zu gewährleisten. Das vergessen fast alle Endanwender. Die Auswahl der optimalen Wärmeleitpaste für Aluminium- oder Kupferkühlkörper erfordert am Ende wirklich eine sorgfältige Abwägung der Materialeigenschaften, der Betriebsbedingungen und der spezifischen Anforderungen, nur dass solche daten fast nie bekannt sind und fast alle Tests von Wärmeleitpasten solche fundamentalen Informationen komplett übergehen.

Das richtige Auftragen von Wärmeleitpaste

Die korrekte Anwendung von Wärmeleitpaste ist entscheidend für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen einer CPU oder GPU und ihrem Kühlkörper. Die Methode des Auftragens kann je nach Prozessortyp, Heatsink-Form und Material variieren, um eine optimale thermische Leistung zu gewährleisten. Es gibt natürlich bewährte Methoden für den Auftrag von Wärmeleitpaste für Privatanwender, allerdings mindestens genauso viele Tutorials und „Religionen“. Mythen sowieso.

Generell gilt aber: Bevor neue Wärmeleitpaste aufgetragen wird, sollten die Oberflächen von CPU/GPU und Kühlkörper gründlich mit Isopropylalkohol (>70%) und einem fusselfreien Tuch gereinigt werden, um alte Paste und Verunreinigungen zu entfernen. Eine zu große Menge Wärmeleitpaste kann zu einer ineffizienten Wärmeübertragung führen, während zu wenig Paste nicht die gesamte Oberfläche abdeckt. In der Regel reicht eine erbsen- bis reiskorngroße Menge aus. Auf dem PC kann das dann so aussehen (wertungsfrei):

• Erbsenmethode:
  Ein kleiner Tropfen (etwa erbsengroß) in der Mitte des CPU-Heatspreaders (die obere Metallplatte der CPU) auftragen und den Kühlkörper darauf pressen. Der Druck verteilt die Paste gleichmäßig.
• Kreuzmethode:
  Besonders bei größeren CPUs kann ein dünnes Kreuz aufgetragen werden, um eine bessere Abdeckung zu gewährleisten.
• Manuelle Verteilung:
  Mit einem Spatel oder einer Plastikkarte kann die Paste auch manuell in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht verteilt werden. Diese Methode erfordert jedoch Vorsicht, um Luftblasen zu vermeiden.

Die GPU-Auftragungsmethoden variieren etwas, je nach Form. Größe und Wölbung der GPU

• Direkte Tropfenmethode:
  Da die GPU-Die (der Siliziumchip selbst) oft größer als die CPU-Die ist und direkt exponiert sein kann (ohne Heatspreader), ist eine direkte, mittig platzierte erbsengroße Menge gefolgt vom Aufdrücken des Kühlkörpers in der Regel ausreichend.
• Direkte Linienmethode:
  Ähnlich zum Klecks wird mittig zu den beiden Längsten Seiten eine dünne Wurst aufgetragen. Der Rest erfolgt wie oben beschrieben.
• Vollflächige Abdeckung:
  Bei einigen High-End-GPUs oder bei der Verwendung von Wasserkühlblöcken kann es notwendig sein, die Paste so aufzutragen, dass die gesamte Die-Oberfläche bedeckt ist, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten.

Man muss auch die Unterschiede bei Heatsink-Formen und -Materialien beachten, das vergessen viele leider:

• Flache Heatsinks:
  Bei Kühlkörpern mit einer flachen Oberfläche ist die Erbsenmethode oder die manuelle Verteilung in der Regel effektiv.
• Kupfer vs. Aluminium:
  Kupferkühlkörper leiten Wärme besser als Aluminium, aber beide Materialien profitieren von einer gleichmäßigen, dünnen Paste-Schicht. Kupferkühlkörper können eine etwas dünnere Schicht erfordern, da sie eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
• Kühler mit angeschliffenen Heatpipes (Direct Heat Touch DHT):
  Bei Kühlkörpern mit Heatpipes sollte darauf geachtet werden, dass die Wärmeleitpaste besonders an den Stellen aufgetragen wird, wo die Heatpipes die CPU/GPU berühren, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten und man muss darauf achten, dass mögliche Spalte mit gefüllt werden.

Die optimale Methode zum Auftragen von Wärmeleitpaste hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Art des Prozessors, der Größe und Form des Kühlkörpers sowie des Materials. Eine korrekte Anwendung sorgt für eine maximale Effizienz der Wärmeübertragung und kann die Leistung und Lebensdauer der Komponenten verbessern. Wichtig ist, die Paste in der richtigen Menge und mit einer Methode aufzutragen, die eine vollständige, gleichmäßige Abdeckung ohne Luftblasen gewährleistet.