Wärmeleitpaste

Wärmeleitpaste ist eine Paste, welche die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, z. B. der Kühlfläche/dem Gehäuse eines Integrierten Schaltkreises und einem Kühlkörper, verbessert.

Handelsübliche Wärmeleitpaste

Wirkungsweise

Die Montageflächen von Kühlkörpern sowie von Bauteilen von denen Wärme abgeführt werden 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]

Zusammensetzung
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 (idR. 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 idR. deutlich höher ist als jene von Luft. Selbst ungefüllte Pasten (d. h. solche ohne disperse Pulverbestandteile) 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]

Flüssigmetall

Wärmeleitpasten aus Flüssigmetall sind Legierungen mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt aus Gallium, Indium, Rhodium, Silber, Zink und Zinn,[3]. Sie leiten die Wärme erheblich besser als konventionelle Pasten, sind allerdings deutlich schwieriger in der Handhabung. Übliche Werte der Wärmeleitfähigkeit liegen im Bereich von 40 W/(m·K) bis 80 W/(m·K).[4] Eine Verwendung auf Aluminiumkühlkörpern ist bei Flüssigmetall auf Galliumbasis nicht möglich, da es durch Bildung eines Lokalelements mit dem Aluminium zur Beseitigung der Oxidschicht kommt, die das unedle Aluminium schützt, was in Verbindung mit der stets vorhandenen Luftfeuchtigkeit zur Entstehung des entsprechenden Hydroxids führt.[5]

Wärmeleitfähigkeit

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 unabhängig 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 eine 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 (). Abhängig von der Art der Schaltung fällt die mittlere Betriebstemperatur Temperatur gänzlich unterschiedlich aus und liegt üblicherweise bei 50 bis 60 °C.[1]

Einsatzbereiche

Mikroelektronik

Bei modernen, hochintegrierten Schaltungen wie z. B. CPUs oder GPUs hat der Kühlkörper entweder direkten Kontakt zum Integrierten Schaltkreis oder zu einem Heatspreader. Die mikroskopischen Zwischenräume werden durch Wärmeleitpasten gefüllt. Nachdem die Wärmestromdichte bei modernen, hochintegrierten ICs enorm ist (z. B. ca. 20,7 MW/m² bei einem Core i9-12900K) , werden hier höchste Anforderungen an die Wärmeleitpasten gestellt.

Leitungselektronik

Der Wärmeableitung dienende Metallflansche von Leistungshalbleitern sind oft herstellungsbedingt (Stanzen) uneben. Hier werden die Zwischenräume vor Verschraubung mit Wärmeleitpaste gefüllt.

Motorenbau

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.

Heiz- und Kühlgeräte

Bei Peltier-Kühlgeräten wird Wärmeleitpaste zwischen dem Peltierelement und den Wärmeüberträgern verwendet. Im Sanitärbereich und Heizungsbau kommt Wärmeleitpaste beispielsweise zur besseren Wärmeübertragung auf Thermostate oder Sensoren zum Einsatz. Ein weiterer Verwendungszweck sind Einfriergeräte, welche Rohrleitungen über Kühlleitungen an einem bestimmten Punkt einfrieren können, um z. B. Wartungs- oder Installationsarbeiten ohne Netzentleerung oder -Stillstand durchführen zu können. Hier wird die Wärmeleitpaste auf die Verbindungsstelle am Rohr aufgebracht, um die Wärmeübertragung zu fördern.[8]

Auftragen von Wärmeleitpasten
Anbringen der Wärmeleitpaste auf einen Mikrochip

Allgemeines

Das korrekte, „beste“ Auftragen von Wärmeleitpaste auf einen Prozessor ist umstritten, allerdings verfolgen alle Ansätze das Ziel, die Schichtdicke der Wärmeleitpaste so gering wie möglich zu halten. Die Schichtdicke sollte so bemessen sein, dass die Wärmeleitpaste die Hohlräume zwischen den beiden Körpern vollständig füllt, jedoch nicht den Abstand zwischen den beiden Körpern weiter erhöht. Häufiger Fehler bei der Anwendung ist, übermäßig viel Paste einzusetzen.

Auftragen auf Elektronikbauelemente

Üblicherweise wird eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf den Die oder Heatspreader aufgebracht, die weitere Vorgehensweise ist von Herstellerempfehlungen und 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, kreisförmige 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, so dass er die gesamte zu kühlende Fläche abdeckt.

Alte Wärmeleitpaste-Reste sollte man entfernen. Bei Leistungshalbleitern in relativ großen Gehäusen kann so eine gleichmäßigere Verteilung der Paste erreicht werden.

Alternativen zur Wärmeleitpaste

Die unten gezeigten Verfahren stellen je nach Anwendungsfall eine Alternative zur Wärmeleitpaste dar oder können den Einsatz dieser ergänzen.

Formschlüssige Verbindung

Die einfachste Methode ist eine formschlüssige Verbindung. Hierbei werden die Bauteile idR. 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.

Präzise Oberflächenbehandlung

Die Kontaktflächen können 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 idR. eingesetzt um die Übertragung signifikant zu verbessern und stellen meist eine Ergänzung zur Wärmeleitpasten im High-End-Bereich dar.

Löten

Löten erreicht gegenüber Wärmeleitpads einen signifikante Verbesserung der Wärmeübertragung. Eine Lötverbindung kann jedoch nicht ohne weiteres wieder gelöst werden. Viele Halbleiterhersteller gestatten, dass ihre Gehäuse verlötet werden und statten sie dazu mit entsprechenden Flanschen oder Flächen aus. Das Löten hat neben dem hohen Wärmeleitwert den Vorteil, dass es zusammen mit dem Arbeitsgang des Verlötens der anderen Bauteile der Platine erfolgen kann. Metallkern-Leiterplatten kommen dabei bevorzugt zum Einsatz, beispielsweise in LED-Lampen.

Bei leistungsfähigen CPUs werden Heatspreader und Die oft mit einem auf Indium basierten Niedertemperaturlot verlötet. Heatpipes oder Kühlfinnen werden oft mit dem Kühlerboden bzw. miteinander verlötet.

Wärmeleitpads
Abdrücke auf Wärmeleitpads

Zur Halbleitermontage werden häufig Wärmeleitpads eingesetzt, die wesentlich einfacher zu handhaben sind als Paste. Zusätzlich wird zwischen Bauteil und Kühlkörper eine elektrische Isolierung erreicht. Wärmeleitpads haben jedoch generell einen höheren Wärmedurchgangswiderstand als pastenbenetzte Metallflächen.

Wärmeleitklebstoff

Zur besseren thermischen Ankopplung können auch Wärmeleitkleber verwendet werden. Diese Klebstoffe enthalten meist einen Anteil von Partikeln oder Füllstoffen, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Sie können auch dort eingesetzt werden, wo kein zusätzlicher Haltemechanismus (z. B. per Schraubmontage) für den Kühlkörper vorgesehen ist.

Literatur
  • Chakravarti V. Madhusudana: Thermal Contact Conductance. 2. Auflage. Springer, 2013, ISBN 978-3-319-01276-6.
Commons: Thermal grease – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise
  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) (Nicht mehr online verfügbar.) Keramische Folien GmbH, archiviert vom Original 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;.
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