Wärmeleitpaste richtig auswählen und auftragen
Unverzichtbare kühlende Helfer in der Elektronik, HLK und im Automobilbau
Wärmeleitpasten sind eine der unscheinbarsten und doch bedeutendsten Komponenten beim effizienten Wärmemanagement elektronischer Geräte. Ohne sie drohen Überhitzung und Geräteschäden. Aber nicht nur die einwandfreie Funktion, auch ein niedriger Energieverbrauch wird mit fortschreitender Technologie immer wichtiger. Die Wahl einer guten Wärmeleitpaste ist deswegen essenziell für jeden Elekto-Hersteller und Hobby-Elektroniker.
Was ist Wärmeleitpaste?
Wärmeleitpaste ist ein dickflüssiges chemisches Gebinde, das die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten verbessert. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo Abwärme von einer Wärmequelle auf einen Kühlkörper übertragen werden soll.
In allen elektronischen Bauteilen entsteht durch den Stromfluss Wärme, die an die Umgebung abgegegen wird. Die Wärmeverlustrate steigt entsprechend deren Oberflächen an. Bauteile, die bei der Verwendung viel Wärme erzeugen, werden für eine wirksame Wärmeableitung oft mit oberflächenvergrössernden hocheffizienten Kühlkörpern verbunden.
Das Problem: Die Verbindungsstellen zwischen Metalloberflächen weisen, auch bei feinster Polierung, immer Unebenheiten auf. Diese isolierenden Lufteinschlüsse verhindern einen hundertprozentigen Kontakt zwischen den Bauteilen und hemmen die Wärmeübertragung dadurch, dass sie die Kontaktfläche verkleinern. Das kann eine ausreichende Kühlung gefährenden und so schwere Geräteschäden verursachen. Wärmeleitpasten füllen diese winzigen Luftspalten zwischen Wärmequellen und dem Kühler und gleichen so kleine Unebenheiten zwischen den beiden Komponenten aus. Der geringere Wärmewiderstand verbessert die Wärmeübertragung und garantiert eine deutlich besserer Kühlung der elektronischen Geräte.
Was ist in Wärmeleitpaste drin?
Wärmeleitpasten bestehen aus einer Trägerflüssigkeit und wärmeleitenden Füllstoffen. Die spezifische Zusammensetzung bestimmt über die jeweiligen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbereich, elektrische Leitfähigkeit, Viskosität und Langzeithaltbarkeit. Die Pasten eignen sich so für unterschiedliche Anwendungsbereiche und Dauerbetriebstemperaturen. Klassische Wärmeleitpasten enthalten neben Silikonöl oft auch Zinkoxid, das ist kostengünstig und erreicht eine gute Wärmeleitfähigkeit. Aber es gibt auch genauso gute silikonfreie Wärmeleitpasten, die ebenfalls Wärme opitimal leiten, aber eine geringere Temperaturobergrenze und Viskosität aufweisen.
Teure Wärmeleitpasten können Metallbestandteile wie Aluminium, Kupfer oder Silber enthalten. Einige Hersteller verwenden auch Graphit als Wärmeleiter. Spezielle Wärmeleitpasten aus Flüssigmetall leiten Wärme sogar noch besser, ihre elektrische Leitfähigkeit kann allerdings bei falscher Anwendung zu ungewollten Kurzschlüssen führen.
Wo wird Wärmeleitpaste eingesetzt?
Elektronik und Elektrotechnik: Prozessoren, Mikrochips und andere elektronische Kompontenten müssen oft gekühlt werden, damit sie ihre volle Funktionsfähigkeit erreichen. Somit braucht jeder Computer Wärmepaste.
Auch in der Leistungselektronik, die Bauteile mit hoher Wärmeabgabe (thermische Verlustleistung) nutzt, ist eine effektive Kühlleistung von immenser Bedeutung.
Motorenbau: Auch Motoren gehören zu den Bauteilen, die viel Wärme produzieren und adäquat gekühlt werden müssen. Ob im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau, ohne Wärmeleitpaste geht es nicht.
Kühl- und Wärmetechnik: Im Sanitär- und Heizungsbau findet Wärmeleitpaste vor allem bei der Wärmeübertragung auf Thermostate und Sensoren Anwendung. In speziellen Einfriergeräten und Klimaanlagen kommt sie dagegen zur Kälteübertragung zum Einsatz.
Beispiele für spezifische Anwendungsgebiete:
- Verbinden mechanischer und elektrischer Bauelemente, z.B. bei CPUs, Lastwiderständen, Leistungshalbleitern, LEDs, Peltier Elementen, Thermogeneratoren, integrierten Schaltkreisen, Wärmeleitungs-Baugruppen
- Speicherelemente (RDRAM Speicher / DDR SDRAM)
- Installieren von Mantelthermoelementen bzw. Mantelwiderstandsthermometern
- Kontakte von Pt100-Sensoren
- Wärmeübertragung bei Kühl- und Heizkörpern
- Zylinderkühlung im Dreizylinder-Zweitakt-Sternmotor
- Kühlen von CD-ROM, DVD
- Festplatten und Grafikkarten
- Netzteile
- Signalverstärker
Wie trägt man Wärmeleitpaste am besten auf?
Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden, sie richtig aufzutragen: Die Streichmethode und die Klecksmethode. Egal für welche Wärmeleitpaste man sich entscheidet beide Trägerobjekte müssen vorher sorgfältig gereinigt werden, um eine dünne und gleichmässige Beschichtung zu erzielen. Den Kühler sollte man danach so schnell wie möglich anbringen, damit die Paste nicht verunreinigt wird oder austrocknet.
Wärmeleitpaste auftragen: die zwei korrekten Methoden
Bei der Streichmethode trägt man die Paste mit einem Spatel (Pinsel, Q-Tip auch möglich) auf den Hitzeverteiler auf. Oft liefern Hersteller diese sogar in der Verpackung mit. Die Schicht sollte dabei gleichmässig dünn aufgetragen werden und bis zu den Rändern des Hitzeverteilers reichen. Danach bringt man zügig die Kühlkomponente an. Für diese Methode ist ein wenig Feingefühl gefragt, um die richtige Menge an Wärmeleitpaste zu verwenden. Die Methode ist sicherer Wahl, weil die Paste garantiert gleichmässig verteilt ist, wenn man den Dreh einmal raus hat.
Einfacher und schneller geht es mit der Klecksmethode. Man bringt einen Klecks Wärmeleitpaste mittig auf den Hitzeverteiler auf und drückt diesen dann an den Kühler an. Gleichmässiges Anziehen sorgt dafür, dass die Paste in alle Ritzen gepresst wird und sich gut verteilt. Dies klappt auch sehr gut – wenn man die richtige Dosierung wählt. Ist dies nicht der Fall, muss man den Vorgang nach einer Reinigung der Flächen wiederholen. Daher erfordert diese Art des Auftragens etwas Übung.
Wann setze ich welche Wärmeleitpaste am besten ein?
Abhängig vom wärmeleitenden Bestandteil kann man neben den klassischen Wärmeleitpasten mit Silikon und Zinkoxid grundsätzlich zwischen drei Arten von Wärmeleitpasten unterscheiden. Welche die richtige Paste für welchen Einsatz ist, erfahren Sie untentstehend:
Keramik-Wärmeleitpaste
Diese Pasten setzt man gerne in sensiblen Bereichen wie auf Mikrochips ein, denn sie leiten keinen Strom und die Elemente können durch den Kontakt nicht beschädigt werden. Keramik-Wärmeleitpaste ist deshalb auch für Ungeübte und Hobby-Bastler gut geeignet. Wegen ihrer mittelmässigen Wärmeleitfähigkeit ist sie allerdings nicht die erste Wahl und kommt daher eher selten zum Einsatz.
Kohlenstoff-Wärmeleitpaste
Basis dieser Paste ist meist Carbon, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber keinen elektrischen Strom leitet. Diese Wärmeleitpaste bietet eine guten Kompromiss zwischen Funktionalität und Sicherheit. Anwender sollten beim Kauf elektrisch nicht-leitender Wärmeleitpaste darauf achten, dass sie nicht mit metallischen Elementen versetzt ist, die der Paste letztendlich doch wieder elektrische Leitungsfähigkeit verleihen.
Metall-Wärmeleitpaste
Besonders ihre ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit macht Flüssigmetall Wärmeleitpasten zu einer interessanten Option bei allen professionellen Anwendungen. Sie besteht hauptsächlich aus Gallium, das über einen idealen Schmelz- und Siedepunkt verfügt und ausserdem nicht so schnell austrocknet. Der Nachteil besteht jedoch in ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Weil die Paste extrem dünnflüssig und daher schwierig aufzutragen ist, besteht hohe Gefahr ungewollte Schäden an technischen Komponenten zu verursachen. Für die Kombination mit Aluminium-Elementen ist sie nicht geeignet, da Oxidationsprozesse deren Oberfläche bei Kontakt zerstören würden.
Was macht eine gute Wärmeleitpaste aus?
Um die richtige Wärmeleitpaste zu finden, sollte man auf diese vier wesentlichen Eigenschaften achten:
Wärmeleitfähigkeit (auch Wärmeleitkoeffizient): Hier lässt sich ablesen, wie gut ein Material Wärme ableiten kann – oder andersherum wie gut es isoliert. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto besser der Kühlungseffekt. Sie kann zwischen 1 W/m·K (Watt pro Quadratmeter und Kelvin) bei herkömmlichen Pasten und 80 W/m·K bei Flüssigmetallpasten liegen.
Viskosität: Wärmeleitpasten lassen sich unterschiedlich gut verstreichen. Bei besonders festen oder sehr flüssigen Pasten ist mehr Übung für das richtige Auftragen nötig, denn es ist ausschlaggebend, dass eine gleichmässige und dünne Schicht entsteht. Klumpt die Wärmeleitpaste oder hat sie eine zu feste Konsistenz kann das aber auch ein Hinweis darauf sein, dass die Paste eingetrocknet ist.
Temperaturbereich: Elektronische Bauteile müssen abhängig vom Einsatzbereich unterschiedliche Temperaturen aushalten können. Eine adäquate Paste muss deswegen auf die jeweiligen Betriebstemperaturen der verwendeten Komponenten abgestimmt sein. Der Temperaturbereich von Wärmeleitpasten kann von -60°C bis +230 °C reichen.
Elektrische Leitfähigkeit: Aus einigen der wärmeleitenden Bestandteile kann auch eine elektrische Leitfähigkeit resultieren, die nicht immer gewünscht ist. Silikonöl und Zinkoxid sind isolierende Kompontenten wohingegen Pasten mit Aluminium-, Kupfer-. Graphit- oder Silberbestandteilen und Flüssigmetallpasten stromleitende Eigenschaften besitzen.
Was ist der Wärmeleitkoeffizient?
Der so genannte Wärmeleitkoeffizient oder λ-Wert gibt an, welche Wärmemenge ein Element innerhalb einer Sekunde durchdringt, wenn der Temperaturunterschied 1 Kelvin beträgt. Grundlage ist ein 1 Meter dickes und 1 Quadratmeter grosses Segment des jeweiligen Elements. Er wird in Watt pro Metergg und Kelvin (W/(m·K) angegeben. Je niedriger, desto besser ist seine Isolationsfähigkeit – bzw. je höher, desto besser leitet er.
Nicht zu verwechseln ist er mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten (U), der die Leistung angibt, die benötigt wird, um den Temperaturunterschied von 1 Kelvin zwischen beiden Seiten Segments aufrecht zu erhalten. Seine Einheit ist Watt pro Quadratmeter und Kelvin (W/m²·K).
Auch der Wärmedurchgangswiderstand (R) bemisst sich in W/m²·K und beschreibt die Wärmedämmeigenschaft eines Elements.
| 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 | flüssig | 0,100 |
| Luft | gasförmig | 0,024 |
Mögliche Alternativen zu Wärmeleitpasten
Für besondere Fälle oder einfach nur der Bequemnishalber bieten sich verschiedene, meist selbstklebende Alternativen zu Wärmeleitpaste an, denen gegenüber sie auch einige Vorteile haben. Wärmeleitpads beispielsweise sind vorkonfektioniert und garantieren ein gleichmässiges Auftragen auf das Bauteil. Die genauen Unterschiede im Überblick:Wärmeleitpads
Die speziell zugeschnittene Wärmeleitkissen drückt man einfach auf die Verbindungsstelle zwischen den Bauteilen auf. Sie wirken elektrisch isolierend. In der Erstmontage sind Pads wesentlich einfacher zu handhaben als ihr flüssiges Pendant, aber dafür deutlich schwieriger wieder zu entfernen. Beim Zusammendrücken können die meist relativ dicken Pads aus der Verbindung hervorquellen und umliegende Komponenten verkleben. Auch die Dicke kann die Wärmeübertragung negativ beeinflussen. Für Standardanwender sind Wärmeleitpads aber eine handliche und schnelle Alternative zu Wärmeleitpasten. Es gibt sie übrigens auch als „Liquid-Metal-Variante“, die allerdings deutlich teuer ist.
Wärmeleitpads kaufenWärmeleitklebstoff
Die adhäsive Komponente sorgt nicht nur für einen Klebeeffekt, sondern auch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Die Kleber verfügen über einen grösseren Anteil wärmeleitender Partikel. Für Komponenten, die ausgetauscht oder gewartet werden müssen, eignen sich die Kleber allerdings nicht.
Darüber hinaus gibt es ausserdem noch wärmeleitendes Klebeband. Wie auch die Wärmeleitpads sorgt es für eine effiziente Wärmeleitung und ist elektrisch isolierend. Das Band gibt es einseitig oder beidseitig klebend und man kann es ganz nach Bedarf zuschneiden.
Häufig gestellte Fragen
Wie kann ich kontrollieren, ob ich die richtige Menge Wärmeleitpaste verwendet habe?
Um keine böse Überraschung zu erleben und eine lange Lebensdauer seiner Geräte sicherzustellen, sollte man die Funktion der Wärmeleitpaste zwischen den Komponenten vor dem Echtbetrieb überprüfen. Bei PCs geht das zum Beispiel mit der Software „Open Hardware Monitor“, welche die Erhitzung unter verschiedener Belastung misst. Sind die Temperaturunterschiede zwischen Leerlauf und Belastung zu gross, funktioniert die Wärmeleitung nicht optimal.
Wann und wie oft muss man Wärmeleitpaste wechseln?
Wärmeleitpaste hält im Normalfall mehrere Jahre und wird nur erneuert, wenn sie eingetrocknet ist oder die Geräte neu zusammengebaut werden. Wenn sich einzelne Komponenten jedoch ungewöhnlich stark erhitzen, ist das ein Warnzeichen für unzureichende Wärmeleitfähigkeit. In diesem Fall kann die man die Wärmeleitpaste erneuern. Das so genannnte „Repasting“ kann helfen, Schäden vorzubeugen und den Teilen neues Leben einzuhauchen.
Braucht Wärmeleitpaste eine Einwirkungszeit?
Nein, die wärmeleitenden Partikel wirken sobald die beiden Bauteile über die Wärmeleitpaste miteinander verbunden sind.
Wieviel Wärmeleitpaste sollte man verwenden?
Das richtige Mass zu finden, kann für Laien recht schwierig sein. Eine hauchdünne Schicht ist in der Regel ausreichend, um den richtigen Wärmefluss zu gewährleisten. Die Objektoberfläche sollte gerade noch durchschimmern. Für einen klassischen WLP Prozessor ist ein erbsengrosser Klecks mehr als genug. Grundsätzlich gilt: Lieber ein bisschen zu viel auftragen, als ein Überhitzen der Komponenten zu riskieren.
Was passiert, wenn man zu viel Wärmeleitpaste aufträgt?
Trägt man die Wärmeleitpaste zu dick auf, kann Hitze schlechter abfliessen. Das kann dazu führen, dass der Kühler nicht optimal arbeitet. In der Regel sind die Auswirkungen aber sehr gering. Beim Einsatz von Prozessoren mit hoher Taktfrequenz, die mit höherer Rechenleistung mehr Hitze erzeugen, kann zu viel Wärmeleitpaste jedoch die ausreichende Kühlung erheblich beeinträchtigen und die Bauteile beschädigen.
Was passiert, wenn man zu wenig Wärmeleitpaste verwendet?
Eine zu dünne, lückenhafte oder auch verunreinigte Schicht kann zu punktuellen Überhitzungen und ernsthaften Schäden an der Hardware führen.
Wie entfernt man alte Wärmeleitpaste richtig?
Normalerweise reicht ein saugfähiges Taschentuch oder Küchenrolle aus, um Wärmeleitpaste vom Träger zu entfernen. Noch einfacher geht es mit Isopropanol aus der Apotheke. Man gibt ihn auf ein Tuch und wischt die Leitpastenträger gründlich ab. Der in vielen Bereichen zur Reinigung und Desinfektion eingesetze sekundären Alkohol verdampft schnell und beschädigt die Komponenten nicht.
Welche Haltbarkeit besitzt Wärmeleitpaste?
Grundsätzlich ist Wärmeleitpaste unbegrenzt haltbar, wenn sie verschlossen bleibt und man sie richtig lagert. Einmal angebrochen ist es wichtig, die Verpackung immer luftdicht zu verschliessen. Im schlimmsten Fall trocknet sie nach zwei bis drei Jahren aus und verliert ihre Schmierfähigkeit. Wenn die Paste klumpig oder nicht mehr streichfähig ist, sollte man sie nicht mehr verwenden.
Wie bewahrt man Wärmeleitpaste am besten auf?
Das Lagern von Wärmeleitpaste im Kühlschrank ist nicht nötig. Dennoch ist es ratsam, Wärmeleitpaste an einem schattigen und kühlen Ort, etwa der Schreibtischschublade, aufzubewahren und sie immer gut und luftdicht zu verschliessen.
Wie teuer sind Wärmeleitpasten?
Eine Vielzahl von Herstellern bieten Wärmeleitpasten in unterschiedlichsten Varianten an. Die Preisspanne herkömlicher Produkte bewegt sich zwischen 2 und 10 Euro. Natürlich gibt es auch teurere Produkte, zu denen zum Beispiel Flüssigmetall-Wärmeleitpasten gehören. Diese High-End-Produkte erreichen oftmals nur eine für Profis entscheidende, minimale Temperaturverbesserung, sind aber in der Anwendung gefährlicher. Wichtiger ist das leichte Auftragen, weswegen viele eher zu guten aber preisgünstigen Varianten mit mittlerer Viskosität greifen.
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