Wenn es um die Kühlung der CPU geht, ist oft die Rede vom passenden Wärmeleitmittel. Am bekanntesten ist dabei die Wärmeleitpaste. Doch was hat es damit auf sich und wo liegen die Unterschiede bei Wärmeleitpaste, Wärmeleitpads und Flüssigmetallen? Wir erklären!
Warum Wärmeleitpaste?
Wenn ein Prozessor kühl gehalten werden soll, muss die erzeugte Wärme einen bestmöglichen Weg zur Außenwelt haben. Bei einem Prozessor gibt es dabei mehrere Hindernisse: Die Energie muss vom Chip zum Heatspreader und dann zum Kühler gelangen, der sie schließlich an die Umgebung abgibt.
Wie sich der Wärmetransport verhält, lässt sich analog zu einem elektrischen Schaltplan betrachten: Einzelne Objekte, die Wärme weitergeben, werden als thermischer Widerstand modelliert; statt Spannungen betrachtet man Temperaturunterschiede und anstelle eines elektrischen Stroms wird die Verlustleistung transportiert. Wenn man den nötigen Temperaturunterschied für eine bestimmte Verlustleistung niedrig halten will, muss man also den thermischen Gesamtwiderstand möglichst klein halten. Dieser steigt mit der Distanz, und sinkt mit einer zunehmenden Kontaktfläche sowie einer höheren thermischen Leitfähigkeit.
Auf die Wärmeleitung in Heatspreader und Silizium sowie den Übergang dazwischen hat man, ohne Garantieverlust, keinen Einfluss. Mehr Spielraum gibt es aber beim Kühler und dem Wärmeleitmittel, das diesen mit dem Heatspreader verbindet. Obwohl die Kontaktflächen an Kühlern und Prozessoren eben aussehen, sind sie es nicht: Sie können leicht nach außen oder innen gewölbt sein, und verfügen über zahlreiche mikroskopisch kleine Unebenheiten. Durch diese kommt es zu Lufteinschlüssen, die den Wärmeübergang durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Luft (0,026 W/mK) deutlich erschweren. Zum Vergleich: Aluminium liegt im Bereich um 235 W/mK, Kupfer kommt auf etwa 400 W/mK und Heatpipes erreichen durch den mechanischen Transport in deren Inneren noch höhere Werte.
Wärmeleitmittel: unterschiedliche Lösungen
Um die Lufteinschlüsse zu vermeiden, muss ein Wärmeleitmittel aufgebracht werden, das die winzigen Unebenheiten durch seine Elastizität bestmöglich ausfüllt. Zugleich ist auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich, um größere Abstände zu überbrücken. Meist wird hier Wärmeleitpaste verwendet, die oft aus Silikonölen mit beigemischten Metallpartikeln besteht. Die Öle können dabei über mehrere Jahre hinweg vertrocknen, somit kann ein erneutes Auftragen erforderlich sein. Zudem haben Wärmeleitpasten, entgegen ihrem Namen, nur eine mäßige Wärmeleitfähigkeit von einigen W/mK, die insbesondere vom Metallanteil abhängt. Mehr Metall verbessert die Wärmeleitfähigkeit, es macht die Pasten aber tendenziell auch zäher.
Eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit bieten Flüssigmetalle, die aus einer bei Raumtemperatur flüssigen und im Gegensatz zu Quecksilber ungiftigen Legierung bestehen. Mangels isolierender Füllstoffe sind sie elektrisch leitfähig, deshalb ist eine besondere Vorsicht beim Auftragen erforderlich. Zudem kann die hohe Oberflächenspannung ein Problem werden, denn Flüssigmetall möchte lieber an sich selbst als am Heatspreader haften – das macht das Auftragen mühselig. Auch beim Entfernen gibt es Tücken, denn Flüssigmetall reagiert nicht auf handelsübliche Lösemittel und muss somit mechanisch abgerieben werden. In feinsten Riefen ist dies schwer möglich, insbesondere in eingelaserten Beschriftungen bleiben gerne letzte Reste zurück, sodass diese Bereiche dann ähnlich glänzen, wie der umgebende Heatspreader.
Wiederverkaufswert kann leiden
Die Wärmeabfuhr wird hierdurch nicht verändert, der Wiederverkaufswert kann aber leiden. Ein weiteres, deutlich hartnäckigeres Problem: Flüssigmetalle legieren im Laufe der Zeit mit Kupfer. Dies äußert sich als gräuliche Verfärbung in nicht vernickelten Kupferböden, aber auch in einem Anstieg des Wärmeleitmittel-Schmelzpunktes. Statt flüssigem Metall hat man dann eine Lot-ähnliche Schicht zwischen Kühler und Heatspreader, die zwar gut Wärme leitet, sich aber manchmal nur mit Schleifpapier restlos entfernen lässt. Nickel- und insbesondere Siliziumoberflächen sind dem gegenüber unproblematisch, Aluminium dagegen wird von Gallium-Legierungen förmlich zerfressen.
Zuletzt zählen auch Wärmeleitpads zu den üblichen Lösungen, diese kommen aber auf Rechenchips kaum zum Einsatz. Stattdessen werden die meist silikonbasierten Pads verwendet, um Höhenunterschiede auszugleichen. Wie Wärmeleitpasten erreichen auch Wärmeleitpads ihre thermische Leitfähigkeit durch enthaltene Metallpartikeln, dementsprechend werden ähnliche Werte erreicht. Aufgrund ihrer Dicke von 0,5 mm und mehr bleibt bei Pads aber immer ein größerer Abstand zwischen Chip und Kühler, der dem Energieaustausch im Wege steht.
Wärmeleitmittel: Fazit nach Praxistest
Wer noch die letzten Zehntelgrad herausholen möchte, der kommt nicht an Flüssigmetallen vorbei. Wärmeleitpasten sind aber, zumindest bei einer gutmütigen Kühler- und Heatspreaderform, nicht viel schlechter. Bei der individuellen Auswahl muss dieser Punkt selbst bewertet werden: Wenn Abstände zwischen den Kontaktflächen bleiben, schneiden Produkte mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit womöglich noch etwas besser ab. Da sie elektrisch isolierend sind, dürften Wärmeleitpasten für die meisten Nutzer wohl die erste Wahl sein.
Hinter den Wärmeleitpasten folgen die Pads, wobei es das beste Wärmeleitpad mit Graphit in Tests noch knapp an der hintersten Paste vorbei schafft. Auch positiv: Das Pad lässt sich beliebig oft verwenden und das Entfernen erfordert keine Reinigung. Dafür ist aber die Montage mühselig: Das Pad muss auf die CPU gelegt und dann die stützende Plastikfolie entfernt werden. Dabei rollt es sich aber gerne ein oder es zerreißt sogar. Zudem ist die elektrische Leitfähigkeit des Graphits zu beachten. Eine angenehmere Montage, aber auch eine schlechtere Performance bieten konventionelle Wärmeleitpads: Bei der Reinigung hat man ebenfalls kaum Vorteile: Die Pads hinterlassen Rückstände und zerbrechen manchmal bei der Demontage des Kühlers. Sofern keine großen Abstände überbrückt werden müssen, für die Pasten nicht geeignet sind, ist der Griff zu Wärmeleitpads also nicht zu empfehlen.
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