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     Wärmeleitpaste

 

   Vorwort

In vielen Köpfen hat sich folgendes, in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpaste eingebrannt: Die weiße ist die untere Basis für allgemeine Anwendungen, die graue ist besser und auch für CPU's geeignet und "Flüssigmetall" ist am besten. Am Ende fährt man damit, ohne sich einen Kopf zu machen vermutlich gar nicht so schlecht und erzielt wahrscheinlich sogar eine gute Trefferquote. Aber eine weiße Paste ist auch schnell grau eingefärbt und bleibt immer noch die gleiche :-/ Wenn man hier auf Nummer sicher gehen möchte, dann sollte man sich den Wärmeleitwert der Paste anschauen. Dieser wird standardmäßig in W/mK, also Watt pro Meter * Kelvin angegeben. Tatsächlich findet man im unteren Bereich von <1-5 W/mK überwiegend weiße Pasten, von 5-10 W/mK graue Pasten und über 10 W/mK die Flüssigmetallvarianten. Letztere erreichen Werte von 40 W/mK und sogar darüber, sind aber auch zum Teil sau teuer. Neben dem hohen Preis haben die Flüssigmetalle aber noch einen weiteren Nachteil und zwar besitzen diese einen kleineren Arbeitstemperaturbereich. Je größer der W/mK Wert, desto kleiner der Temperaturbereich, welcher oft auch keine Minustemperaturen vorsieht. Was beim PC-CPU kein Problem darstellt, aber beim Einsatz mit Peltier-Elementen (Kaltseite) durchaus wieder ein Nachteil sein könnte.

   Grundlegendes

Beim Auftragen aller Wärmeleitpasten gilt die Regel: So wenig wie möglich und nur so viel als Nötig. Besonders bei viskosen Pasten (oft die grauen Vertreter) hat man hier schnell zu viel davon Aufgetragen, was dann den Abtransport der Wärme wieder behindern kann. Hier haben die Flüssigmetall-Vertreter einen entscheidenden Vorteil, denn man kann sie aufgrund ihrer Konsistenz gar nicht zu dick auftragen, bzw. wird überschüssiges Material sehr leicht vertränkt. Je viskoser die Paste, desto gewissenhaft muss man arbeiten. Um die Auswirkung der Schichtdicke zu veranschaulichen und um einen Vergleich verschiedener Pasten zu bekommen kann man das Ganze mal Berechnen.

   Berechnung

Berechnet wird der Wärmewiderstand mit folgender Formel:

Schichtdicke [m] / Kontaktfläche [m²] x (1 / Wärmeleitfähigkeit [W/mK])

Ja, die Angabe der Dicke in Meter und die Fläche in qm ergeben im Elektronikbereich sehr kleine Werte, also hier möglichst viele Nachkommastellen mitnehmen.
Bei einer Schichtdicke von 0,02 mm ergibt sich bei einer Fläche von 10 x 15 mm (150 mm²) unter Verwendung einer Standardpaste (Weiß) mit einem Wärmeleitfähigkeitswert von 3 W/mK folgender Wärmewiderstand:

 0,00004 m / 0,00015 m² x (1 / 3 W/mK) = 0,0888... W/K

Wenn man nun mit einer viskosen Paste schlampig gearbeitet hat und auf eine Schichtdicke von 0,1 mm kommt, dann verschiebt sich der Wärmewiderstand wie folgt in schlechte:

0,0001 m / 0,00015 m² x (1 / 3 W/mK) = 0,2222... W/K

Jetzt nehmen wir mal an, dass über die Kontaktfläche 80 W Wärmeenergie abgeführt werden müssen und berechnen den zu erwartenden Temperaturabfall, also den Verlust in Grad Kelvin, was gleich Grad Celsius ist, da es sich ja nur um das Delta dreht.

0,0888... W/K x 80 W 7,11 K bei einer Schichtdicke von 0,04 mm
0,2222... W/K x 80 W
17,78 K bei einer Schichtdicke von 0,1 mm

Das Bauteil wird also aufgrund der übermäßig dicken Wärmeleitpasteschicht mit ca. 10 °C mehr Wärme belastet. Um das Ganze nun abzurunden rechnen wir den Fall einmal mit einer hochwertigen Flüssigmetallvariante, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 73 W/mK bei einer ebenfalls optimalen Schichtdicke von 0,04 mm. Ohne jetzt Werbung machen zu wollen wäre das z.B. der Conductonaut von Grizzly.

0,00004 m / 0,00015 m² x (1 / 73 W/mK) ≈ 0,00365 W/K
0,00365
W/K x 80 W 0,29 K bei einer Schichtdicke von 0,04 mm

An den Ergebnissen erkennt man nun sehr schön welchen Einfluss die Schichtdicke hat, aber auch welchen Vorteil hochpreisige Wärmeleitprodukte haben. Aber das soll hier jetzt keine generelle Empfehlung sein nur noch Flüssigmetallprodukte zu verwenden. Zum einen ist das hier nur ein fiktives Rechenbeispiel und zum anderen vertragen sich die Produkte angeblich auch nicht auf Dauer mit Aluminiumkühlkörper, welche abgesehen vom PC-CPU (Kupfer) sonst überall anzutreffen sind. Auch nimmt mit zunehmender Kontaktfläche der Einfluss des Wärmewiderstand der Wärmeleitpaste ab. Es kommt halt wie so oft auf die individuellen Fall an.
 

   Onlinerechner


Um mal schnell mit einigen Werten herumspielen zu können gibt es hier einen Onlinerechner

Im Onlinerechner wird die Schichtdicke in mm verlangt und die Kontaktfläche in mm², was wohl bei Elektronikbauteilen handlicher ist.

Die Option Drucken funktioniert erst ab Netscape V4.0 bzw. I-Explorer 5.0 !

[letzte Aktualisierung 08.04.2023]