Wärmeleitpaste

Wärmeleitpaste ist eine Paste, die die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, z. B. einem Mikrochip und einem Kühlkörper verbessert.  

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Einsatz

Elektronik

Wärmeleitpaste wird oft in Verbindung mit kleinen zu kühlenden Komponenten, zum Beispiel Prozessoren und Bauteilen der Leistungselektronik eingesetzt, um den Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper zu verbessern. Dies ist vor allem dann bedeutsam, wenn das Bauteil, das gekühlt werden soll, eine große thermische Verlustleistung (Wärmeabgabe) pro Fläche hat.

Weitere Anwendungen

Wärmeleitpasten finden auch Anwendung im Motorenbau: Beispiel ist der Dreizylinder-Zweitakt-Sternmotor von König. Er wird überwiegend bei Leichtflugzeugen eingesetzt und hat einen zum Zylinderkopf hin geschlossenen Brennraum. Der Zylinderkopf dient somit nicht wie üblich zum Abdichten, sondern lediglich zum Kühlen. Er hat zum Zylinder hin nur eine Kühlfläche. Zur besseren Ableitung der am Zylinderboden entstehenden Verbrennungswärme ist es bei dieser außergewöhnlichen Zylinderform unbedingt notwendig, zwischen Zylinderboden und Zylinder(kühl)kopf Wärmeleitpaste zu verwenden.

Bei Peltier-Kühlgeräten wird Wärmeleitpaste zwischen dem Peltierelement und den Wärmeübertragern verwendet.

Funktion

Die Montageflächen von Kühlkörpern enthalten durch mechanische Bearbeitung stets mehr oder weniger tiefe Rillen, Erhöhungen und Vertiefungen. Auch wenn diese klein sind, sammelt sich in ihnen Luft, die die Wärmeübertragung stark hemmt. Dasselbe gilt für das zu kühlende Bauteil: Prozessoren tragen oft eine eingelaserte Beschriftung, die zu Vertiefungen führt. Der Wärmeableitung dienende Metallflansche von Leistungshalbleitern sind oft herstellungsbedingt (Stanzen) uneben. Wärmeleitpasten füllen diese Unebenheiten und ermöglichen somit eine bessere Wärmeübertragung vom Bauteil/Chip/Prozessor zum Kühlkörper. Sie sind im Gegensatz zu manchen Arten von Wärmeleitpads nicht dafür gedacht oder geeignet, größere Abstände zwischen Wärmequelle und Kühlkörper zu überbrücken.

Hier ein paar Zahlen, um sich eine Vorstellung über die Größe des Effekts zu machen:

Anwendung

Das korrekte, „beste“ Auftragen von Wärmeleitpaste auf einen Prozessor ist in Fachkreisen umstritten, allerdings verfolgen alle Ansätze das Ziel, die Schichtdicke der Wärmeleitpaste so gering wie möglich zu halten. Häufigster Fehler bei der Anwendung ist, übermäßig viel Paste einzusetzen, jedoch ist ein allzu sparsamer Auftrag oft kritischer, da dann die Gefahr besteht, dass Lufteinschlüsse bleiben.

Üblicherweise wird eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf den Prozessorkern oder Heatspreader aufgebracht, die weitere Vorgehensweise ist von der persönlichen Präferenz abhängig.

Eine Methode ist das unmittelbare Aufsetzen des Kühlers, nachdem man einen Klecks Paste in der Mitte des Prozessorkerns oder Heatspreaders platziert hat. Durch den Anpressdruck des Kühlkörpers wird die Paste verteilt und bildet eine dünne Schicht. Bei Prozessoren ohne Heatspreader oder anderen Halbleitern mit kleiner Kontaktfläche ist dies die einfachste und sicherste Möglichkeit. Wärmeleitpasten, die auf thermoplastischen Kunststoffen aufbauen, sollen laut Herstellervorschrift immer auf diese Weise aufgetragen werden. Die optimale Verteilung geschieht bei solchen Pasten erst durch die Erwärmung im laufenden Betrieb.

Eine andere Methode ist das Verstreichen der Wärmeleitpaste vor dem Aufsetzen des Kühlers. Hierfür wird ebenfalls ein kleiner Klecks Wärmeleitpaste auf der Prozessorkern- oder Heatspreadermitte platziert, dieser wird danach allerdings verstrichen, sodass er den gesamten Heatspreader oder Prozessorkern abdeckt. Als Werkzeuge zum Verstreichen haben sich z. B. alte Telefon- oder Kreditkarten bewährt. Bei Prozessoren mit Heatspreader oder Leistungshalbleitern in relativ großen Gehäusen kann so eine gleichmäßigere Verteilung der Paste erreicht werden.

Danach wird der Kühler oder der Halbleiter montiert.

Wärmeleitpaste sollte nicht mit dem Finger verstrichen werden, da so keine gleichmäßige Verteilung möglich ist und Lufteinschlüsse verbleiben können.

Als Alternative zu den verschiedenen Pasten werden häufig Wärmeleitpads eingesetzt, die bei Erstmontage wesentlich einfacher zu handhaben sind.

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung unterscheidet sich von Hersteller zu Hersteller, die genaue Zusammensetzung wird oft nicht angegeben.

Klassische Wärmeleitpasten enthalten hauptsächlich Silikonöl und Zinkoxid, hochpreisige Varianten sind mit Aluminium- Kupfer- und Silberbestandteilen erhältlich. Weiterhin werden auch silikonfreie Pasten angeboten. Relativ neu auf dem Markt sind Pasten, die ähnlich wie Wärmeleitpads auf thermoplastischen Kunststoffen basieren. Bei den verschiedenen Pasten gibt es Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit um den Faktor drei bis vier, jedoch leitet auch die beste klassische Wärmeleitpaste die Wärme um mindestens den Faktor 20 schlechter als die üblichen Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer.

Die relativ neuen Wärmeleitpasten aus Flüssigmetall leiten die Wärme erheblich besser als die konventionellen Wärmeleitpasten, ohne jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers aus Kupfer oder Aluminium zu erreichen. Da sie elektrisch leitfähig sind, müssen sie mit Vorsicht angewendet werden. Eine Verwendung auf Aluminiumkühlkörpern ist derzeit nicht möglich, da es durch Bildung eines Lokalelements mit dem Aluminium zur Beseitigung der das unedle Aluminium schützenden Oxidschicht kommt, was in Verbindung mit der stets vorhandenen Luftfeuchtigkeit zur Entstehung des entsprechenden Hydroxids führt.

Eine weitere neue Entwicklung sind Wärmeleitpasten, deren Füllstoff aus Kohlenstoff-Nanopartikeln besteht. Auch diese Pasten sind elektrisch leitfähig.

Insgesamt wird der Einfluss der Art der Wärmeleitpaste auf die Kühlleistung eines Gesamtsystems meist überbewertet. In verschiedenen Tests von Prozessorkühlern bewegt sich der Unterschied zwischen den besten und den schlechtesten Pasten unter sonst gleichen Bedingungen im Bereich von etwa zehn Grad Celsius, wobei die besten Produkte bis zu 20 Grad Temperaturdifferenz gegenüber trockener Montage erreichen. Das Ergebnis wird maßgeblich von der Dicke des Auftrages mitbestimmt.

Siehe auch

• Wärmeleitkleber