Wärmeleitpaste

Die Montageflächen von Kühlkörpern sowie von Bauteilen, von denen Wärme abgeführt wird, haben stets Abweichungen von einer idealen Planarität. Wärmeleitpasten gleichen diese Unebenheiten aus bzw. füllen sie und ermöglichen somit eine bessere Wärmeübertragung. Die Paste soll dabei die Hohlräume vollständig ausfüllen, jedoch den ursprünglichen Abstand zwischen den Bauteilen nicht vergrößern. Wärmeleitpasten sind im Gegensatz zu Wärmeleitpads nicht dafür gedacht oder geeignet, größere Abstände zwischen Wärmequelle und Kühlkörper zu überbrücken. Wärmeleitpasten müssen einerseits niedrigviskos sein, um alle Höhlräume und tatsächlich nur diese zu füllen, andererseits darf die Paste bei Wärme oder über die Zeit nicht herausgepresst werden oder anderweitig verlustig gehen. Besonders eine niedrige Viskosität führt zum Pump-Out Effekt, bei dem die Wärmeleitpaste über längere Zeit durch das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten der Kontaktflächen herausgedrückt bzw. „gepumpt“ wird.[1]

Fläschchen mit Wärmeleitpaste und Pinsel zum Auftragen

Die genaue Zusammensetzung von Wärmeleitpasten ist stark abhängig vom Anwendungsfall und dem Betriebstemperaturbereich. Fast alle gängigen Wärmeleitpasten sind Dispersionen eines Wärmeleitmediums (i. d. R. ein Metallpulver oder eine Oxidkeramik) in einem flüssigen Träger, meistens Silikonöl oder Polyethylenglykol (PEG).

Selbst Pasten ohne spezieller Mixtur haben wesentliche Verringerung des Wärmedurchgangswiderstands zur Folge, weil die Wärmeleitfähigkeit i. d. R. deutlich höher ist als jene von Luft. Selbst ungefüllte Pasten (d. h. solche ohne disperse Pulverbestandteile) sind dazu in der Lage, den Wärmeübergang auf das vier- bis zwölffache gegenüber unbehandelten Oberflächen zu verbessern.[2] Es wurde festgestellt, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Paste zwar nützlich, aber nicht allein ausschlaggebend für die Wirksamkeit ist. Demnach können Pasten mit dispersen festen Inhaltsstoffen den Wärmeübergang noch einmal erheblich verbessern, jedoch nur, wenn sie so appliziert werden können, dass sie alle Hohlräume füllen ohne aufzutragen. Daher werden der Applizierbarkeit der Paste und ihrem Fließvermögen eine hohe Bedeutung beigemessen.

In Wärmeleitpasten für Mikroelektronik werden als Wärmeleitmedium häufig Aluminium oder Aluminiumoxid eingesetzt, diese sind vergleichsweise niederviskos und an einer typisch metallisch grauen Färbung zu erkennen. Wärmeleitpasten für Leistungselektronik ist meist hochviskos und auf Basis von Zinkoxid (weiße Färbung) hergestellt. Auch mit Aluminium-, Kupfer-, Graphit- und Silberpartikeln gefüllte Pasten sind erhältlich. Die Wärmeleitfähigkeit bzw. die Art des Füllstoffes hat neben den Fließeigenschaften einen großen Einfluss auf die tatsächlich erreichte Verringerung des Wärmedurchgangswiderstandes. So wurde in Modellversuchen festgestellt, dass eine Paste auf Silikonbasis (3…4·10⁴ W·m⁻²·K⁻¹) durch Beigabe von Zinkoxid-Pulver etwa einen dreifach höheren Wärmedurchgangskoeffizienten ermöglicht. Eine silikonfreie Paste auf der Basis von Polyethylenglykol (ca. 11·10⁴ W·m⁻²·K⁻¹) verbesserte sich durch die Zugabe von lediglich 1,25 % Ruß auf fast 30·10⁴ W·m⁻²·K⁻¹.[2]

Handelsübliche Wärmeleitpasten werden mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,8 W/(m·K)[6] bis über 10 W/(m·K)[7] angegeben (Zum Vergleich: Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 380 W/(m·K), Luft ca. 0,024 W/(m·K)). Häufig ist die angegebene Wärmeleitfähigkeit jedoch ohne unabhängige Tests nicht untereinander vergleichbar, weil hierfür keinen industrieweiten Standardtests bestehen. Selbst Werte, die unter denselben physikalischen Laborbedingungen mit einer Maßbezugstemperatur von 20 °C ermittelten wurden, können nicht sinnvoll für einen Vergleich herangezogen werden. Der Grund ist die sich verändernde Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Besonders bei integrierten Schaltungen liegt die Betriebstemperatur in einem nicht näher definierten Bereich zwischen der Umgebungstemperatur und der Sperrschichttemperatur (${\displaystyle T_{J}}$). Abhängig von der Art der Schaltung fällt die mittlere Betriebstemperatur gänzlich unterschiedlich aus und liegt üblicherweise bei 50 bis 60 °C.[1]

Aufbringen der Wärmeleitpaste auf einen Mikroprozessor (Pentium M)

Auf einen Mikroprozessor aufgebrachte Wärmeleitpaste

Im ersten Schritt werden Verunreinigungen bzw. alte Wärmeleitpaste-Reste mechanisch durch Abwischen entfernt, danach werden die Kontaktflächen i. d. R. mit Isopropanol gereinigt.[10]

Bei Mikroelektronik wird anschließend die Wärmeleitpaste ausschließlich auf den Die oder Heatspreader oder die Kontaktfläche des Kühlkörpers aufgebracht – besonders größeren Kontaktflächen oder Leistungshalbleitern, wird die Wärmeleitpaste mit einem geeigneten Werkzeug (z. B. einem weichen Kunststoffspatel) verteilt oder flächig verstrichen. Haben die Kontaktflächen größere Unebenheiten, kann ein Auftrag auf beide Kontaktflächen erforderlich sein.

Folgend wird der Kühlkörper aufgesetzt und manuell gleichmäßig angedrückt, um die Wärmeleitpaste grob zu verteilen.[10] Nun wird der jeweilige Haltemechanismus genutzt (z. B. Klammern, Federn oder Verschraubungen) um den Kühlkörper mit einem ggf. definierten Anpressdruck in eine annähernd komplanare Position mit dem zu kühlenden Bauteil zu bringen.[10] Auch wenn hier unter Umständen nicht sofort die vollständige Kontaktfläche mit Wärmeleitpaste benetzt wird, sorgen in weitere Folge mehrere Temperaturzyklen der beteiligten Bauelemente für eine gleichmäßige und hinreichende Verteilung.

Besonders im Kontext von CPUs und GPUs gibt es in einschlägigen Communities immer wieder teils hitzige Diskussionen über das „beste“ bzw. das „einzig richtige“ Auftragen von Wärmeleitpaste. In diesen Diskussionen werden teils rituell anmutende Prozesse oder Verteilungsmuster beschrieben. Beliebte Muster sind die „Erbse“ (ein einzelner erbsengroßer Punkt in der Mitte), der „gebutterte Toast“ (manuell vollflächig verstrichen), mehrere Punkte, Kreuze oder Linien (in jeweils verschiedenen Mustern oder Kombinationen). Zwischen den einzelnen Methoden gibt es keine signifikanten Unterschiede, sofern eine ausreichende Menge an geeigneter Wärmeleitpaste aufgebracht wurde. Im Zweifel wird jedoch – besonders bei hochviskosen Wärmeleitpasten – empfohlen, die Wärmeleitpaste zuvor zu verstreichen. Besonders die Erbsen-Methode kann dazu führen, dass nicht ausreichend Wärmeleitpaste aufgetragen wird und so die Kontaktflächen nicht vollständig benetzt werden können.[11][12][13][14][15]

Ein Auftrag von zu viel Wärmeleitpaste ist grundsätzlich leistungstechnisch nicht negativ zu beurteilen. Die überschüssige Paste wird einfach zwischen den Elementen herausgedrückt. Nebst entsprechender Verschmutzung umliegender Komponenten kann der Überschuss jedoch besonders bei elektrisch leitender Wärmeleitpaste zu Kurzschlüssen bei den umliegenden Bauteilen führen.[11]

Neben Wärmeleitpasten können je nach Anwendungsfall auch andere Wärmeleitmedien zum Abtransport eingesetzt werden. Hierzu zählen vor allem Wärmeleitkleber, Wärmeleitpads oder Lötverbindungen.

Ergänzend kann die Wärmeübertragung auch durch eine formschlüssige Verbindung verbessert werden. Hierbei werden die Bauteile i. d. R. permanent miteinander verpresst. Dieses Verfahren z. B. bei der Herstellung von Kühlkörpern verwendet bei denen unterschiedliche Materialien oder Komponenten verbunden werden. Ein typisches Beispiel ist das einbringen eines Kupfer-Kerns im Boden eines Aluminiumkühlkörpers. Die Wärmeübertragung ist hierbei hinreichend gegeben, eignet sich aber nicht bei Verbindungen, die zu einer mechanischen Zerstörung einer der beiden Komponenten führen würden. Ist dies nicht möglich können die Kontaktflächen durch Honen, Läppen oder Polieren nahe an eine ideale Planarität gebracht werden. Um ein nachträgliches Aufrauen durch eine Oberflächenoxidation zu vermeiden, können die Flächen danach mit einem Metall wie z. B. Nickel überzogen werden. Diese Verfahren werden i. d. R. eingesetzt um die Übertragung signifikant zu verbessern und stellen meist eine Ergänzung zur Wärmeleitpasten im High-End-Bereich dar.

• Chakravarti V. Madhusudana: Thermal Contact Conductance. 2. Auflage. Springer, 2013, ISBN 978-3-319-01276-6.

1. Deep-Dives on Thermal Paste: Misconceptions, Curing, & More
2. https://www.researchgate.net/publication/225350129_Carbon_Nanotube_Thermal_Pastes_for_Improving_Thermal_Contacts Carbon Yunsheng Xu, Chia-Ken Leong, Deborah Chung: Nanotube Thermal Pastes for Improving Thermal Contacts, September 2007, in Journal of Electronic Materials 36(9), Seiten 1181–1187, DOI:10.1007/s11664-007-0188-3
3. Sicherheitsdatenblatt „Coollaboratory Liquid Pro“, Flüssigmetall. (PDF) Coollaboratory, abgerufen am 25. September 2014.
4. Thermal Conductivity Of Liquid Metals. Electronics Cooling, abgerufen am 25. September 2014.
5. Wärmeleitpaste aus Flüssigmetall, Sicherheitsdatenblatt. (PDF) Coollaboratory, abgerufen am 24. September 2014.
6. Thermal Greases, Datasheets. Aavid Thermalloy, LLC, abgerufen am 24. September 2014.
7. Technical Datasheet KP 96, Keratherm Thermal Grease. (PDF) Keramische Folien GmbH, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 17. März 2017; abgerufen am 25. September 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.kerafol.com
8. ROFROST TURBO / - II. (PDF; 3,33 MB) Rothenberger Gruppe, archiviert vom Original am 10. April 2011; abgerufen im 1. Januar 1.
9. Wie man Heatbreak/Heizblock/Kühlkörper austauscht Prusa Research
10. How to Apply Thermal Paste and How It Works
11. “Too Much Thermal Paste” – Benchmark of Thermal Paste Application & Quantity
12. Welches ist das beste Wärmeleitpaste-Muster? Aktueller Leistungsvergleich
13. Best Way to Apply Thermal Paste? Does it Even Matter?
14. Thermal Paste Application Techniques
15. How do I apply thermal paste?