Wärmeleitpaste
Wärmeleitpaste ist eine Paste, welche die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, z. B. einem Mikrochip und einem Kühlkörper, verbessert.
Zusammensetzung
Die Zusammensetzung der jeweiligen Wärmeleitpasten ist abhängig vom Pastenhersteller, der Wärmeleitfähigkeit, den empfohlenen Anwendungsfall und dem Dauerbetriebstemperaturbereich der Paste. Klassische Wärmeleitpasten enthalten hauptsächlich Silikonöl und Zinkoxid, hochpreisige Varianten sind mit Aluminium-, Kupfer-, Graphit- 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 konventionelle Pasten, ohne jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers aus Kupfer oder Aluminium zu erreichen. Da sie elektrisch leitfähig sind, müssen sie mit Vorsicht angewandt werden. Eine Verwendung auf Aluminiumkühlkörpern ist derzeit 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.
Eine weitere neue Entwicklung sind Wärmeleitpasten, deren Füllstoff aus Kohlenstoff-Nanopartikeln besteht. Auch diese Pasten sind elektrisch leitfähig.
Wirkungsweise
Die Montageflächen von Kühlkörpern enthalten durch mechanische Bearbeitung stets mehr oder weniger tiefe Rillen, Erhöhungen und Vertiefungen. Auch wenn diese klein sind, hemmen die entstehenden Hohlräume die Wärmeübertragung durch die Verkleinerung der wirksamen Fläche sehr. 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. Handelsübliche Wärmeleitpasten haben Wärmeleitfähigkeitswerte bis zu ca. 10 W/(m·K).
Hier ein paar Zahlen, um sich eine Vorstellung über die Größe des Effekts zu machen:
| Stoff | Fähigkeit zum Formschluss | Wärmeleitfähigkeit λ (W/(m·K)) |
| Kupfer | massiv aber weich | 380 |
| Berylliumoxid | giftiges Pulver mit Korndurchmesser zwischen 10 µm und 100 µm, wobei selbst dichtgepackte Körner sich nur an Punktkontakten berühren | 270 |
| Silikon | Flüssigkeit | 0,100 |
| Luft | Gas | 0,024 |
Einsatzbereiche
Elektrotechnik und Elektronik
Wärmeleitpaste wird oft in Verbindung mit kleinen zu kühlenden Komponenten, zum Beispiel Prozessoren und Bauelementen der Leistungselektronik eingesetzt, um den Wärmeübergang vom Bauelement zum Kühlkörper zu verbessern. Dies ist vor allem dann bedeutsam, wenn das Bauelement, das gekühlt werden soll, eine große thermische Verlustleistung (Wärmeabgabe) pro Fläche hat.
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 über Kühlleitungen Rohrleitungen an einem best. 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 Kälteübertragung zu fördern.[1]
Auftrag der Wärmeleitpasten
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.
Auftrag auf Elektronikbauelemente
Üblicherweise wird eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf den Prozessorkern 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 den gesamten Heatspreader oder Prozessorkern abdeckt. Alte Wärmeleitpaste-Reste sollte man entfernen. 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.
Alternativen zur Wärmeleitpaste
Wärmeleitpads
Als Alternative zu den verschiedenen Pasten werden häufig Wärmeleitpads eingesetzt, die bei Erstmontage wesentlich einfacher zu handhaben sind. Ist eine galvanische Trennung zwischen Bauteil und Kühlkörper nötig, können isolierende Wärmeleitpads oder Isolierscheiben in Verbindung mit Paste verwendet werden.
Wärmeleitklebstoff
Weiterhin können zur besseren thermischen Ankopplung auch Wärmeleitklebstoffe verwendet werden. Neben der klebenden Wirkung besitzen diese Klebstoffe noch einen größeren Anteil von Partikeln, die eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.