Woraus besteht Wärmeleitpaste und wie viel sollten Sie auftragen?
Thermale Paste, auch bekannt als Wärmeleitmaterial (TIM), ist eine wärmeleitende Verbindung, die mikroskopisch kleine Luftspalte zwischen einem CPU/GPU-Die und seinem Kühlkörper füllt. Sie besteht hauptsächlich aus einer Polymermatrix (Silikon, Acryl oder Epoxid), die mit Keramik-, Metall- oder Kohlenstoffpartikeln gefüllt ist. Die optimale Auftragsmenge ist ein einzelner Tropfen in Erbsengröße (ca. 0,05 bis 0,1 Kubikzentimeter), der in der Mitte des integrierten Wärmeverteilers (IHS) platziert wird, was nach der Montage eine Fügespalthöhe von 0,05 bis 0,1 Millimetern ergibt.
Materialzusammensetzung und Wärmeleitfähigkeit
Das Basismaterial bestimmt die Verarbeitungseigenschaften der Paste, während der Füllstoff ihre Wärmeleistung bestimmt. Die Polymermatrix (typischerweise 20-30 Volumenprozent) sorgt für Viskosität und verhindert das Auspumpen, während der leitfähige Füllstoff (70-80 Volumenprozent) den Wärmeübertragungsweg bereitstellt.
Häufige Füllstoffe und ihre Wärmeleitfähigkeitswerte: - Zinkoxid: 25 W/mK (Partikelgröße 0,5-10 Mikrometer) - Aluminiumoxid: 30 W/mK (Partikelgröße 1-20 Mikrometer) - Bornitrid: 60 W/mK (hexagonale Kristallstruktur) - Silber: 429 W/mK (Flocken oder kugelförmig, 1-5 Mikrometer) - Diamantpulver: 900-2000 W/mK (synthetisch, 0,5-2 Mikrometer) - Kohlenstoffnanoröhren: 3000 W/mK (ausgerichtet, aber schwer zu dispergieren)
Zum Vergleich: Luft hat eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,026 W/mK. Ein 0,05 mm Luftspalt unter einem 100-W-CPU-Die kann einen Temperaturanstieg von über 20 Grad Celsius verursachen, weshalb Paste obligatorisch ist. Die effektive Wärmeleitfähigkeit der endgültigen Pastenverbindung reicht von 1,5 W/mK für preisgünstige Keramikpasten bis zu 12,5 W/mK für Premium-Flüssigmetalllegierungen (Gallium-Indium-Eutektikum, Schmelzpunkt 15,7 Grad Celsius).
Viskosität und Partikelgrößen-Engineering
Die Viskosität wird in Centipoise (cP) gemessen. Standard-Silikonpasten liegen zwischen 200.000 und 350.000 cP bei 25 Grad Celsius. Hochviskose Pasten (über 400.000 cP) widerstehen dem Auspumpen in Umgebungen mit starken Vibrationen, erfordern jedoch einen höheren Anpressdruck. Niedrigviskose Pasten (unter 150.000 cP) verteilen sich leicht, können jedoch nach Temperaturwechseln unter „Pump-out“ leiden.
Die Partikelgrößenverteilung beeinflusst direkt die minimale Fügespalthöhe. Eine Paste mit 10-Mikrometer-Partikeln kann keine Fügespalthöhe von weniger als 10 Mikrometern erreichen, ohne dass die Partikel den Spalt überbrücken und den Die oder Kühlkörper zerkratzen. Präzisionspasten für Direct-Die-Kühlung verwenden 0,5 bis 3 Mikrometer große Partikel, um Fügespalthöhen von 25 bis 50 Mikrometern zu erreichen.
Unsere Fabrik BQUQ verwendet einen Dreiwalzenstuhl zur Partikeldispergierung und erreicht eine Gleichmäßigkeit von plus/minus 2 Volumenprozent. Wir testen jede Charge mit einem Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator (Malvern Mastersizer 3000), um sicherzustellen, dass die D50-Werte (mediane Partikelgröße) innerhalb von 0,5 Mikrometern der Spezifikation bleiben.
Auftragsmenge: Die 0,1-Gramm-Regel
Die korrekte Menge an Wärmeleitpaste ist eine Funktion der IHS-Fläche und der gewünschten Fügespalthöhe. Die Formel lautet:
Volumen (Kubikmillimeter) = Fläche (Quadratmillimeter) x Fügespalthöhe (Millimeter)
Für eine Standard-AMD-AM5-CPU (IHS-Fläche 558 Quadratmillimeter) erfordert eine Fügespalthöhe von 0,05 mm 27,9 Kubikmillimeter Paste. Für einen Intel LGA1700 (IHS-Fläche 455 Quadratmillimeter) erfordert dieselbe Fügespalthöhe 22,8 Kubikmillimeter.
In der Praxis entspricht dies: - Tropfen in Erbsengröße: 4 bis 5 Millimeter Durchmesser (ca. 30-50 Kubikmillimeter) - Reiskorn-Linie: 3 bis 4 Millimeter lang, 1,5 Millimeter breit (ca. 15-25 Kubikmillimeter) - X-Muster: 2 sich kreuzende Linien, jeweils 5 Millimeter lang, 2 Millimeter breit (ca. 40-60 Kubikmillimeter)
Zu viel Paste (mehr als 100 Kubikmillimeter) erzeugt hydraulischen Druck, der den Kühlkörper anhebt und die Fügespalthöhe auf 0,2 Millimeter oder mehr erhöht. Dies erhöht den Wärmewiderstand um 40 bis 60 Prozent. Zu wenig Paste (weniger als 10 Kubikmillimeter) hinterlässt Lufteinschlüsse, die 15 bis 25 Prozent der Die-Fläche bedecken und lokale Hotspots von 5 bis 8 Grad Celsius über dem Durchschnitt verursachen.
Vergleichende Leistungsdaten
| Pastentyp | Wärmeleitfähigkeit (W/mK) | Viskosität (cP) | Optimale Fügespalthöhe (mm) | Preis pro Gramm (USD) | Temperaturreduktion vs. Luftspalt (Grad C) |
| Keramik (Zinkoxid) | 1,5 - 3,0 | 150.000 - 250.000 | 0,08 - 0,12 | 0,50 - 1,50 | 18 - 22 |
| Metalloxid (Aluminiumoxid) | 3,0 - 5,0 | 200.000 - 300.000 | 0,06 - 0,10 | 1,50 - 3,00 | 22 - 28 |
| Bornitrid | 5,0 - 8,0 | 250.000 - 350.000 | 0,05 - 0,08 | 3,00 - 6,00 | 28 - 35 |
| Silber (Mikropartikel) | 6,0 - 10,0 | 180.000 - 280.000 | 0,04 - 0,07 | 5,00 - 10,00 | 30 - 40 |
| Flüssigmetall (Galliumlegierung) | 40,0 - 80,0 | 1.000 - 3.000 (flüssig) | 0,02 - 0,04 | 15,00 - 25,00 | 45 - 55 |
Hinweis: Die Temperaturreduktion wird bei 100 W Die-Leistung, 25 Grad Celsius Umgebungstemperatur und mit einem Kupferkühlkörper gemessen. Flüssigmetall ist elektrisch leitfähig und erfordert einen vernickelten Kupfer-IHS, um Galliumkorrosion zu verhindern.
Verteilungsmethode und Anpressdruck
Die optimale Verteilungsmethode hängt von der Pastenviskosität und dem Montagemechanismus des Kühlkörpers ab. Für Pasten über 250.000 cP wird die Erbsenmethode (Mittelpunkt) empfohlen, da der Anpressdruck die Paste natürlich nach außen verteilt. Für Pasten unter 200.000 cP ist die Dünnschichtmethode (Auftragen einer gleichmäßigen Schicht mit einer Rasierklinge oder einem Spatel) zuverlässiger.
Der Anpressdruck ist entscheidend. Der empfohlene Kontaktdruck für Metall-IHS auf Kupferkühlkörper beträgt 20 bis 40 Pfund pro Quadratinch (psi), erreicht durch eine Backplate mit federbelasteten Schrauben. Bei 20 psi komprimiert sich die Paste auf 90 Prozent ihres ursprünglichen Volumens. Bei 40 psi komprimiert sie sich auf 80 Prozent. Ein Überschreiten von 60 psi kann dazu führen, dass die Paste vollständig herausgedrückt wird und eine trockene Verbindung zurückbleibt.
Temperaturwechsel (Ein-/Ausschalten) verursachen unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem Die (Wärmeausdehnungskoeffizient 2,6 ppm/K für Silizium), dem IHS (16,5 ppm/K für Kupfer) und dem Kühlkörper (23 ppm/K für Aluminium). Diese Bewegung, typischerweise 5 bis 15 Mikrometer pro Zyklus, kann die Paste aus dem Spalt pumpen. Hochviskose Pasten und Pasten mit einem thixotropen Index über 2,0 (bei denen die Viskosität unter Scherung abnimmt und sich in Ruhe erholt) widerstehen diesem Pump-out-Effekt.
Qualitätskontrolle in der Fertigung
Bei BQUQ stellen wir Wärmeleitpasten für Industriekunden unter ISO 9001:2015-zertifizierten Prozessen her. Unsere kritischen Parameter sind: - Wärmeleitfähigkeit gemessen nach der Plattengerätemethode (ASTM D5470), Toleranz plus/minus 5 Prozent - Viskosität gemessen mit einem Brookfield-Rotationsviskosimeter bei 25 Grad Celsius, Toleranz plus/minus 10 Prozent - Partikelgröße D50 per Laserbeugung, Toleranz plus/minus 0,5 Mikrometer - Ausgasung getestet nach ASTM E595, Gesamtmassenverlust unter 1 Prozent für Weltraumanwendungen - Haltbarkeit: 24 Monate bei 25 Grad Celsius, 60 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit, in versiegelter Spritzenverpackung
Für die Serienproduktion (über 10.000 Einheiten pro Monat) empfehlen wir automatische Dosierung mit einer pneumatischen Spritze mit einer 0,6-Millimeter-Nadel. Der Dosierdruck wird auf 60 bis 80 psi eingestellt, mit einer Zykluszeit von 0,8 bis 1,2 Sekunden pro Punkt. Das Punktgewicht wird während des Prozesses mit einer Kontrollwaage mit einer Toleranz von plus/minus 5 Milligramm verifiziert.
FAQ-Artige Anwendungstipps
1. Sollte man die Paste mit einer Karte verteilen? Nur wenn die Pastenviskosität unter 200.000 cP liegt und der Die direkt gekühlt wird (ohne IHS). Bei IHS-montierten CPUs ist die Erbsenmethode überlegen, da sie das Einbringen von Luftblasen vermeidet. 2. Woran erkennt man, ob man zu viel aufgetragen hat? Wenn nach der Montage Paste an den Seiten des IHS herausquillt, hat man 30 bis 50 Prozent zu viel aufgetragen. Wischen Sie sie mit Isopropylalkohol (90 Prozent oder höher) ab und tragen Sie erneut auf. 3. Läuft Paste ab? Ja. Nach 24 Monaten oxidiert die Polymermatrix und die Viskosität erhöht sich um bis zu 30 Prozent. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt nicht ab, aber die Paste lässt sich schwerer gleichmäßig verteilen. 4. Kann man Paste nach dem Entfernen des Kühlkörpers wiederverwenden? Nein. Sobald die Fügespalthöhe unterbrochen ist, bilden sich Lufteinschlüsse in der Paste. Reinigen Sie immer beide Oberflächen mit Isopropylalkohol und tragen Sie frische Paste auf. 5. Was ist die Mindesttemperatur für die Anwendung? Tragen Sie bei Raumtemperatur (20 bis 25 Grad Celsius) auf. Unter 10 Grad Celsius werden Silikonpasten um 50 Prozent viskoser und verteilen sich nicht korrekt.
Fazit
Thermale Paste ist ein präzisionsgefertigter Verbundwerkstoff aus Polymermatrix und wärmeleitendem Füllstoff, dessen Partikelgrößen und Viskositäten auf spezifische Fügespalthöhen-Anforderungen abgestimmt sind. Die korrekte Menge ist ein Tropfen in Erbsengröße (30 bis 50 Kubikmillimeter) für Standard-CPU-IHS-Oberflächen, was bei einem Anpressdruck von 20 bis 40 psi eine Fügespalthöhe von 0,05 bis 0,1 Millimetern ergibt. Die Verwendung des richtigen Pastentyps und der richtigen Menge reduziert die CPU-Temperaturen um 20 bis 55 Grad Celsius im Vergleich zu einem trockenen Luftspalt und wirkt sich direkt auf die Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer aus.
Für Ingenieure, die konsistente, reproduzierbare Wärmeleitmaterialien für die Produktion benötigen, bietet BQUQ kundenspezifisch formulierte Pasten mit engen Toleranzen und einem Angebotsprozess innerhalb von 12 Stunden. Unser Team kann Ihr thermisches Budget, Ihre Viskositätsanforderungen und Ihre Dosierungsmethode abgleichen. Kontaktieren Sie uns unter sc@bquq.com oder per WhatsApp unter +86 13713157787, oder besuchen Sie www.bquq.com für Datenblätter und Musteranfragen.
