Saubere Alternativen zu Wärmeleitpaste

Seit etwa 50 Jahren bestreiche ich jetzt schon Kühlkörper mit Wärmeleitpaste. Das erste Mal war, als ich in den 1970er Jahren einen Heathkit®-Mikrowellenherd für meine Mutter baute. Ich musste Wärmeleitpaste auf der Unterseite eines gigantischen Diodenmoduls mit 12.000 Volt und 1 Ampere in der Magnetron-Stromversorgung des Mikrowellenherds auftragen, bevor ich es mit dem Metallgehäuse des Herds verschrauben konnte. Das war damals, als man Mikrowellenherde nicht nur reparieren konnte, sondern sie auch aus einem Bausatz zusammenbauen konnte, was darüber hinaus auch noch weniger kostete. Der Mikrowellenherd von Heathkit war damals für 399,95 US-Dollar erhältlich. Fertige Mikrowellenherde waren sogar noch teurer.

Die Verpackung, in der der Bausatz für den Mikrowellenherd geliefert wurde, war so groß und schwer (etwa 45 kg), dass wir uns dazu entschlossen, von Louisville in Kentucky nach Benton Harbor in Michigan zu fahren, um den Herd in der Fabrik von Heathkit abzuholen. Wir verstauten das Paket im 1967er Pontiac Catalina meiner Mutter und fuhren am nächsten Tag wieder nach Hause. Diese Aktion macht sogar noch mehr Sinn, wenn man bedenkt, dass ich erst kurz zuvor meinen Führerschein erhalten hatte.

Was für eine tolle Reise mit dem Auto!

Diese ersten zwei Abschnitte sind voller längst überholter Anachronismen. Die Fabrik und der Showroom von Heathkit in Benton Harbor wurden schon vor langer Zeit geschlossen. Pontiac hat den Betrieb am 31. Oktober 2010 komplett eingestellt und fertigt heute weder den Catalina noch irgendwelche anderen Autos. Und auch Mikrowellenherde sind nicht länger als Bausatz erhältlich, geschweige denn, dass man noch einen kaufen würde, da fabrikneue Geräte heutzutage so günstig sind.

Wärmeleitpaste hingegen gibt es nach wie vor, obwohl sie noch immer so unhandlich ist wie vor 50 Jahren. Sie ist weiß, klebrig und scheint von allen Dingen magisch angezogen zu werden. Und dennoch verwenden wir sie immer noch, weil sie schlicht und einfach ihren Zweck erfüllt. Durch das Aufkommen leistungsstarker Mikroprozessoren in PCs ist Wärmeleitpaste unbeabsichtigt sogar zu einer aus der Elektronik nicht mehr wegzudenkenden Komponente geworden. Exotische, leistungsstarke Wärmeleitpasten mit wohlklingenden Worten wie „karat“, „diamant“ oder „silber“ in ihren Namen werden von Gamern und Overclockern, die ihre Prozessoren mit höchstmöglicher Taktrate bei einer möglichst niedrigen Betriebstemperatur betreiben möchten, unaufhörlich getestet und enthusiastisch diskutiert.

Also warum wird darum ein solches Aufhebens gemacht? Warum werden Kühlkörper überhaupt noch benötigt? Beginnen wir mit zwei Metalloberflächen, die gegeneinandergedrückt werden (Abbildung 1). Das eine Metallteil stellt die Halbleiterkomponente dar und das andere einen Kühlkörper. Wo auch immer die zwei Oberflächen glatt sind und sich berühren, wird Wärme über die mechanische Schnittstelle gut geleitet. In der Realität sind Oberflächen jedoch nie wirklich absolut flach. Selbst wenn man den zwei Oberflächen einen Feinschliff verpasst, was echte Overclocker häufig tun, sind nach wie vor mikroskopisch kleine Lücken vorhanden. Auf der Erde sind diese Lücken fast immer mit Luft gefüllt und da Luft ein Wärmeisolator ist, wird Wärme dort, wo sich Lücken befinden, nicht gut geleitet. Im Weltall befindet sich in den Lücken ein Vakuum, ein wirklich ausgezeichneter Isolator. Nehmen Sie zum Beispiel Thermosflaschen. Sie verwenden ein Vakuum als Wärmeisolator.

Abbildung 1: An Stellen, an denen sich Metalloberflächen berühren, wird Wärme problemlos geleitet. Wenn sich mit Luft gefüllte Lücken zwischen den Metalloberflächen befinden, ist das nicht der Fall. (Quelle der Abbildung: Parker Chomerics)

Wärmeleitpaste, die bereits viele Jahrzehnte verwendet wurde, bevor ich meine eigenen Erfahrungen damit machen konnte, soll die Lücken mit einer Substanz füllen, die Wärme sehr viel besser leitet als Luft. Im Lauf der Jahre habe ich ein oder zwei Tricks gelernt, um Wärmeleitpaste aufzutragen.

Erstens: Verwenden Sie Handschuhe aus Latex oder Nitril, damit die Paste nicht an Ihren Fingern kleben bleibt. Nein, sie würden davon nicht sofort tot umfallen, wie ich in einigen Online-Chats lesen musste, in denen es um die Verwendung von Wärmeleitpaste geht. Es stimmt, dass einige Wärmeleitpasten früher Beryllium enthielten, das fantastische thermische Eigenschaften hat und mittlerweile als gefährlich eingestuft werden sollte. Wärmeleitpasten, die heutzutage im Allgemeinen verwendet werden, enthalten jedoch schon seit vielen Jahren kein Beryllium mehr. Doch auch die heutigen Wärmeleitpasten lassen sich noch immer schwer von Fingern und Kleidungsstücken entfernen. Tragen Sie daher Handschuhe und vermeiden Sie es, ungenau zu arbeiten.

Zweitens: Tragen Sie die Wärmeleitpaste möglichst dünn auf. Sie soll lediglich die Lücken zwischen der Komponente und dem Kühlkörper schließen und nicht als Schmierung dienen. In den meisten Fällen möchten Sie erreichen, dass die Metalloberfläche der Wärme erzeugenden Komponente und der metallene Kühlkörper einen möglichst engen Kontakt zueinander haben.

Ein weiterer wichtiger Rat von mir ist, sich nach einer Alternative zu Wärmeleitpaste umzusehen, die für Ihre Anwendung unter Umständen besser geeignet ist. Dünne Wärmeleitpads auf Silikonbasis wie beispielsweise die CHO-THERM-Isolatoren von Parker Chomerics gibt es schon seit Jahrzehnten. Angesichts der rasant steigenden Zahl leistungsstarker Halbleiter, die heutzutage verwendet werden, haben sich die Anbieter von Wärmemanagementprodukten in letzter Zeit jedoch verstärkt auf die Entwicklung aller möglichen interessanten Alternativen konzentriert.

Ist die Abwärmeleistung einer Komponente geringer als 25 Watt, können Wärmeleittapes wie die Tapes THERMATTACH T411 und T418 von Parker Chomerics verwendet werden. Diese Tapes sind auf beiden Seiten mit Klebstoff beschichtet. Dadurch fungieren sie nicht nur als Wärmepfad zwischen einer Komponente und ihrem Kühlkörper, sondern sie verringern darüber hinaus auch die Anzahl der benötigten Verbindungselemente oder machen sie komplett überflüssig. Außerdem ermöglichen sie ein sauberes Arbeiten.

Wärmeleittapes stellen eine einfache und praktische Alternative dar, wenn Kühlkörper und elektronische Komponente flach sind und bereits ein guter Thermokontakt zwischen ihnen besteht. Häufig gibt es jedoch große Lücken zwischen der Wärme erzeugenden Komponente und dem Kühlkörper. Auch für solche Situationen gibt es gute Alternativen zu Wärmeleitpasten. Bei größeren Lücken kann man Wärmeleitpads verwenden. Ein Wärmeleitpad funktioniert wie ein Thermoblech oder Wärmeleittape, jedoch mit dem Unterschied, dass ein Wärmeleitpad dicker und besser geeignet ist, sodass es für Lücken bis zu wenigen Millimetern geeignet ist. Beispiele für Wärmeleitpads sind die thermisch leitenden Gap-Filler-Pads THERM-A-GAP 974 und 976 von Parker Chomerics.

Außerdem gibt es Phasenwechselmaterialien wie etwa von Wakefield-Vette die ulTIMiFlux-Thermobleche für Hochleistungshalbleiter, inklusive CPUs und GPUs in modernen Multicore-PCs und Servern. Parker Chomerics stellt ebenfalls ein Phasenwechselmaterial mit dem Markennamen THERMFLOW her, das in Blechform erhältlich ist und passend zugeschnitten werden kann. Für verschiedene handelsübliche Halbleitergehäuse sind diese Materialien außerdem bereits vorgeschnitten erhältlich. Man legt einfach ein passend zugeschnittenes Stück Phasenwechselmaterial zwischen die Halbleiterkomponente und den Kühlkörper und presst das Ganze mit Klemmen zusammen.

Phasenwechselmaterialien sind bei Raumtemperatur leicht fest und können daher ohne Verschmutzungen angewendet werden. Sie verhalten sich jedoch wie eine Wärmeleitpaste, nachdem sie ihre Schmelztemperatur erreicht haben, und können so kleine Lücken füllen. Phasenwechselmaterialien vereinen das ausgezeichnete Wärmeverhalten von Wärmeleitpaste und die einfache Handhabung von Wärmeleitpads.

Für große Lücken gibt es vor Ort formbare Wärmeleitpasten wie beispielsweise THERM-A-FORM von Parker Chomerics. Hierbei handelt es sich um ein Zwei-Komponenten-Silikonpolymer, das in einer doppelläufigen Dosierkartusche geliefert wird, mit der die zwei Komponenten gemischt werden. Nach dem Auftragen härtet die Wärmeleitpaste aus. Wärmeleitpasten können besonders hilfreich sein, wenn ein Kühlkörper für mehrere Wärme erzeugende Komponenten unterschiedlicher Höhe verwendet werden soll. Selbst wenn die Komponentenhöhen sehr gleichmäßig sind und der Kühlkörper für die verschiedenen Komponenten präzise gefräst wird, sind voraussichtlich nach wie vor Lücken zu füllen. Abbildung 2 zeigt, wie eine vor Ort formbare Wärmeleitpaste zur thermischen Verbindung eines Kühlkörpers mit mehreren elektronischen Komponenten verwendet wird.

Abbildung 2: Wärmeleitpaste füllt selbst große Lücken, wie sie beispielsweise dann vorkommen, wenn ein Kühlkörper mit mehreren elektronischen Komponenten unterschiedlicher Höhe verbunden wird. (Bildquelle: Parker Chomerics)

Schließlich wäre da noch die aktuellste Option bei Wärmeleitprodukten: Graphitfolien wie etwa die EYG-S182303DP von Panasonic Electronic Components. Diese äußerst dünnen Graphit-Polyester-Folien verfügen über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit – weitaus besser als die von Kupfer – und können für jede Anwendung passend zugeschnitten werden. Graphitfolien sind das neueste Objekt der Begierde der Overclocker von PC-Prozessoren, da sie über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit verfügen und wiederverwendbar sind. Dieser Aspekt spielt eine große Rolle, wenn man den alten Prozessor umgehend gegen die neueste Prozessorgeneration austauschen möchte.

Fazit

Selbst nach vielen Jahrzehnten wird noch mit Wärmeleitpaste gearbeitet. Sie erfüllt nach wie vor ihren Zweck, muss sich inzwischen jedoch gegenüber vielen guten Alternativen behaupten, die durchaus einen Blick wert sind. Vergessen Sie jedoch eines nicht, wenn Sie auch weiterhin Wärmeleitpaste verwenden: Tragen Sie stets Handschuhe!

Über den Autor

Image of Steve Leibson Steve Leibson war Systemingenieur für HP und Cadnetix, der Chefredakteur für EDN und Microprocessor Report, ein Tech-Blogger für Xilinx und Cadence (u.a.) und er diente als Technologieexperte für zwei Folgen von „The Next Wave with Leonard Nimoy“. Er hilft Entwicklern seit 33 Jahren, bessere, schnellere und zuverlässigere Systeme zu entwickeln.
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