Praxis: Das große Wärmeleitpasten-Tutorial und Test-Charts 2013 (Teil 1 von 2)

Wissenswertes zum Heatspreader

Der Heatspreader

Schneidet man so eine CPU einmal in der Mitte durch, dann sieht man sehr deutlich, dass der eigentliche Prozessor-Chip (die) nur einen Teil der Gesamtfläche ausmacht und somit auch nur zu einem Teil des äußerlich sichtbaren Metalldeckels mehr oder weniger Kontakt hat. Deshalb ist es die Aufgabe des Heatspreaders, die Abwärme des Chips möglichst breitflächig weiter zu verteilen, damit sie dann optimal an den Kühlkörper (Heatsink) des CPU-Kühlers weitergeleitet werden kann.

Betrachtet man das Schema, dann fallen zwei Dinge besonders auf. Zum einen sieht man, dass zwischen Die und Heatspreader bereits beim Hersteller eine wärmeleitende Schicht eingebracht wird. Während AMD, so wie Intel in der Vergangenheit auch, eine Art Lot nutzt, spart sich Intel diesen Aufwand und ersetzt die Verlötung neuerdings durch eine simple Wärmeleitpaste. Damit verringert sich die Wärmeleitfähigkeit dieser Zwischenschicht enorm, was uns letztendlich auch die Schwierigkeiten bei der Kühlung übertakteter Intel-CPUs seit Ivy-Bridge logisch erklärt.

Heatspreader, Hotspots und die Folgen

Wir sehen es ja bereits am obigen Schema, dass durch den Größenunterschied zwischen Heatspreader und der direkten Kontaktfläche zur CPU auf der Oberfläche vor allen zu den Längsseiten hin Bereiche entstehen, die kühler sind als der Bereich, der direkt oberhalb des Die liegt. Diesen heißeren Bereich nennt man auch Hotspot, weil hier die meiste Abwärme an der Oberfläche austritt. Die in den nachfolgenden Bildern genutzte, vereinfachte Darstellung als worst case soll uns an dieser Stelle reichen, obwohl sich dieser Bereich z.B. durch verschiedene Lastverhalten und die Positionierung von Prozessorkernen, Cache oder auch der integrierten Grafik noch viel weiter differenzieren ließe. Für unsere Zwecke reicht jedoch auch ein Gesamtbereich. Dort ist es übrigens wie beim Wasser, das sich stets und ständig natürlich den möglichst kürzesten Weg des geringsten Widerstandes nach außen sucht. Schauen wir nun einmal von oben auf die CPU:

AMD FX 8350AMD FX 8350Intel (Core i7 3770K)Intel (Core i7 3770K)

Wir sehen, dass die Intel-CPU auf Grund der kleineren Strukturbreite von oben her gesehen einen deutlich schmaleren Hotspot besitzt! Mit diesem Wissen ausgerüstet, sollte man sich nun auch genau überlegen, wie man mit einem geeigneten Kühlerboden (Heatsink) diese Fläche möglichst optimal trifft, dann schließlich muss an exakt diesem Ort ja auch die meiste Abwärme abgeleitet werden.

Sinn und Unsinn von DHT-Kühlern

CPU-Kühler mit angeschnittenen Heatpipes (DHT, Direct Heat Touch) sind gerade so schön in Mode gekommen und sie sparen dem Hersteller ja auch eine Menge Geld bei der Produktion - was das Marketing dann dem gutgläubigen Kunden aber gern als super kühlendes Feature verkauft. Jedoch birgt diese Art der Konstruktion auch eine gewisse Problematik in sich. Bei einem Kühler mit z.B. nur 4 Heatpipes sieht man sehr deutlich, dass CPUs mit einem sehr schmalen Die (z.B. Intel ab Ivy Bridge) auch einen dementsprechend schmaleren Hotspot besitzen. Die zwei mittleren Heatpipes in der nachfolgenden Grafik (Xigmatek Achilles) liegen jedoch nicht sonderlich optimal auf und drehen lassen sich solche Kühler auch nur in den seltensten Fällen.

DHT und die ProblemeDHT und die ProblemeUnd nun? Könnte man den Kühler um 90° drehen, könnte man mit der Problematik eigentlich ganz gut leben. AMD-Anwender habe es oft einfacher, da die Kühler meist nach oben ausgerichtet sind, so dass die Heatpipes den schmalen, länglichen Hotspot kreuzen und nicht an ihm entlang ausgerichtet sind. Für ein aktuelleres Intel-System oder um 90° gedrehte AMD-Systeme sollte man deshalb nur DHT-Kühler in die engere Wahl ziehen, die über 5 Heatpipes verfügen und bei denen zwischen den angeschnittenen Heatpipes keine (größeren) Zwischenräume mehr liegen.

Zwischenfazit

Man kann durch die Wahl eines unpassenden Kühlerbodens bereits mehr an Kühlperformance einbüßen, als was man später mit der teuersten Paste jemals wieder wettmachen könnte! Aber es kommt sogar fast noch schlimmer. Betrachten wir als Nächstes, was sich genau zwischen Heatspreader und Heatsink abspielt.

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60 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • Bastian Fiek
    da habe ich schon lange drauf gewartet..

    endlich mal großer Vergleich mit Beispielen zur Anwendung.
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  • Simon Genter
    Bitte korrigieren: hohe Viskosität heisst, dass das Material zähflüssig ist (zB Honig). Eine niedrige Viskosität bedeutet eine geringe Zähflüssigkeit (zB Wasser)
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  • ypnaphelios
    Super Artikel. Inspiriert mich auf jeden Fall dazu, meine aktuelle Bebauung zu optimieren. Danke :-)
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  • FormatC
    @Simon:
    Danke, gefixt. Das übliche Verwechsungsspielchen ;)
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  • fragger
    Also die Zahlen der Wärmeleitfähigkeiten einger Pasten in den Charts können nicht stimmen.
    Silber hat, wenn ich mich recht erinnere, grob 500 W/m*K und leitet die Wärme ganz sicher Größenordnungen besser als jede Paste. Alle Werte größer 20 W/m*K sind unrealistisch.

    Für die Alpenföhn Schneekanone hab ich es mal nachgeschaut: Es sind 1,134 W/m*K und nicht 1134... Ich würde vermuten, dass da irgendwo ein "milli" übersehen wurde...
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  • FormatC
    Nein, da hat unser tolles CMS wieder mal die Dezimalstellen gefressen. In den Excel-Messprotokollen stimmts noch :(
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  • echoez
    Klasse Test, danke Igor! Bestätigt für mich 2 Dinge: Man kann bei normaler Nutzung ohne OC quasi jede Paste verwenden (sog. Zahnpasta, Hammer :)) und ich hab in dem 20 Jahren nix verkehrt gemacht. Ich trage die Paste allerdings immernoch ganzflächig auf (mit dem Finger) und lasses in der Mitte leicht dicker. Egal ob konkav oder konvex, so gelingts immer! Maggimäßig :D
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  • Tesetilaro
    endlich, ich bastel nun schon ewig an rechnern rum, den Teil hab ich immer anderen überlassen *g* Ich weiß, Weichei :P
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  • FormatC
    naja, kommt ja noch'n Teil. dann noch einmal neue Pasten in den Charts und der Rest vom Tutorial. Dann noch ein Bildchen von jeder Paste und eine verbale Einschätzung dazu. Sollte erst mal reichen.

    Fakt ist, wegen maximal 2 Kelvin unter extremer Volllast muss man kein Vermögen ausgeben, im Normalbetrieb sind die Unterschiede eher marginal. Deshalb dazu auch keine Messwerte, denn oft genug sind die klitzekleinen Unterschiede bereits deutlich im Toleranzbereich. Wer beim zweiten Mal mit einer neuen, teuren " Wunderpaste" gleich mal 5 Kelvin weniger schafft, der hat beim ersten Mal was falsch gemacht. Die Leute vergessen immer, dass die Temperaturen mit der zunehmenden Praxis eh immer besser werden, weil man etwas Übung darin bekommt. :D
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  • Desertdelphin
    Freu mich schon riesig auf den Artikel. Da können die Fanboys beider Lager sagen was sie wollen, aber das ist richtiger Journalismus.

    Zwei Dinge:

    1. Zinkoxid ist KEIN Metal, es ist ein Metaloxid ;) Wie der Name schon sagt. Aber das ist kleinkarriert ^^

    2. Wieso sollen elektrisch-leitfähige Pasten ungeeignet sein? Hoffe die werden trotzdem getestet. Nur weil DAUs damit nicht klarkommen und alles einkleistern, würde ich sie gerne dabei haben.


    Noch ein paar Fragen: Kommen auch so Metalpads zum Einsatz? Wird das Verhalten der Pasten bei unterschiedlichen Anpressdrücken gemessen? (wäre genial) und vor allem: WANN KOMMT DER ARTIKEL :D

    PS: Habe meinen Rechner mal über 2 Jahre mit Nivea Handcreme laufen gelassen (wohlgemerkt übertaktet) weil ich beim EInbau gemerkt habe, dass ich die Paste vergessen habe zu kaufen ^^
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  • Desertdelphin
    Sorry kann nicht editieren:

    Wäre witzig wenn du auch noch so nen Vergleich zu meiner Niveahandcreme reinbringen könntest. Bzw. generell so "Alternativen"

    Also ich habe bissher Nivea genutzt und auch einmal WD40 Maschinenöl. Da wäre wirklich interessant in wie weit die sich da abheben. Wirklich wirklich interessant auf jeden Fall. Langlebig sind die Lösungen jedenfalls. Die Nivea hat nach 2 Jahren noch genauso gerochen und meine Hande weich gemacht wie beim Einbau :D Und die Temps waren immer stabil!
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  • FormatC
    Da in Kosmetika jede Menge Chemie und tolle Fette stecken, sind diese Produkte zwar kaum "natürlicher" als Wärmeleitpaste, aber eben auch nicht viel schlechter. Das beste Bespiel ist übrigens ordinäre Zinkoxid-Creme aus der Apotheke für unsere Akne-Generation. Die gibt es notfalls sogar auf Rezept, hält aber locker 1-2 Jahre, je nach Apotheker und Bindemittel.

    Bringt mich auf irre Gedanken...

    Ich schrieb dies und nicht das Zinkoxid ein Metall sei:
    Zitat:
    für die man pauschal 60% Metalloxide, 30% Zinkoxid (ist Zink etwa kein Metall?) und 10% Silikon angibt.


    Zitat:
    Wird das Verhalten der Pasten bei unterschiedlichen Anpressdrücken gemessen? (wäre genial) und vor allem: WANN KOMMT DER ARTIKEL
    Erstens ist dies als erster Teil ja nun schon online, zweitens sind (nicht nur) auf der letzten Seite auch die Charts mit den ersten 20 Pasten schon verlinkt, sondern es stehen drittens auch die Erklärungen zu allen 4 Messdurchläufen auf Seite 8. Da siehst Du auch, dass ich mit Wasser, Luftkühlung + hoher Anpressdruck, Luftkühlung mit niedrigen Anpressdruck und einer GPU getestet habe. ;)
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  • fragger
    letztlich kann man als Wärmeleitpaste alles nehmen, was thermisch einigermaßen stabil ist. Die Wärmeleitfähigkeit ist relativ egal, da nur wenige µm überbrückt werden müssen, und alles, was sich streichen lässt, Größenordnungen besser ist, als Gas/Luft...

    Nivea würde ich aber nicht unbedingt nehmen wollen, da organische Fette bei hohen Temperaturen nicht langzeit stabil sind. Aber stinknormales Silikonfett aus dem Baumarkt z.B. langt völlig, um einen ausreichenden thermischen Kontakt zu gewährleisten.

    die +/- 1-2 K Differenz sind in der Regel jenseits von völlig egal...
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  • FormatC
    Es ist wirklich mehr Marketing als Nutzwert dabei. Eine Ausnahme sind allerdings Grafikkarten und die nötige Burnin-Zeit, wo sich die Pasten dann doch etwas unterscheiden. Die Originalpampe von AMD auf der 7990 ist z.B. besser als ich dachte :D
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  • FormatC
    Vielleicht ist ja auch mal jemandem aufgefallen, dass nicht zwangsweise die Pasten mit der höchsten theoretischen Wärmeleitfähigkeit auch die besten Ergebnisse liefern. Das ist alles sehr relativ und wirklich von vielen Faktoren abhängig. 20 Euro für diesen Marketing-Pups.... Naja.


    Aber Du hast Recht, ich sollte Björn von Alternate auch mal was aus dem Kreuz leiern zum Testen :)
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  • alterSack66
    Drno schwört ja auf das Zeugs. Ich nehm die Prolimatech PK-1.
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  • Conichiwi
    Der Test passt wie die Faust auf´s Auge, ich wollte heute eigl. den Rechner zerlegen und die Lüfter/Kühler säubern, sowie die MX-2 auf der Cpu gegen die Coollaboratorie Liquid Pro tauschen....

    Wann kommt denn nun der 2. Teil ? ;-)

    Thx für das ausführliche HowTo, das deckt sich soweit auch mit den eigenen Erfahrungen, wobei man sich wohl nie wirklich sicher ist, die optimale Verarbeitungsweise gefunden zu haben.
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  • derGhostrider
    Sehr schöne Darstellung der Oberflächen!

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    Es hat sich immer alle paar Jahre verändert, wie man denn die Paste "am besten" verteilen soll.
    Also ich habe nun schon die drei Varianten "mit Plastiktüte über Finger", "mit Kreditkarte glattstreichen" (hat m.E. nie richtig funktioniert) und "Klecks in der Mitte" als "beste Lösung" irgendwo lesen können. Mal in Tests, mal von den Pastenherstellern.
    Der Klecks in der Mitte verdrängt in der Theorie die Luft - hinterlässt aber ohne "den Kühlkörper mehrfach hin und her zu drehen" leider auch eine viel zu dicke Schicht und verteilt sich auch recht schlecht bei zähflüssigen Pasten.
    Also den Kühlkörper so lange hin- und herzudrehen, bis Metall auf Metall schleift, verteilt den Klecks dann schon ganz gut. Ist das gut für die Hardware? Kann man das irgendwem empfehlen oder ist es zu riskant? Bei nackten Dies zerstört man so ganz schnell den Die. DAU-Sicher ist das auf keinen Fall.

    4mm Durchmesser als Wärmeleitklecks würde ich da bereits als viel zu viel einstufen. Von den Herstellern der Pasten hieß es mal: "ca ein halbes Reiskorn" (1mm x 1mm x 2mm bis 1x1x3mm³). Tja, ist die Paste dann aber sehr zäh, dann bekommt man es eigentlich gar nicht hinreichend verteilt. Menge stimmt, Verteilung nicht. Effekt: Bescheiden. Zuviel drücken kann man ja auch nicht, sonst richtet man mehr Schaden an als sonst etwas.
    In der Vergangenheit habe ich sogar mal erst die Oberflächen mit der Paste eingerieben, um die mikroskopischen Unebenheiten auszugleichen, dann mit einem fusselfreien Tuch abgewischt (man sieht, daß sich die Farbe leicht verändert hat), und dann die Klecks-Methode angewand. Bringt das einen praktischen Vorteil? Nö, aber man hat mehr Zeit gebraucht und glaubt, dass es besonders toll ist.

    Aber wie hieß es doch so schön im Artikel: Jede Paste leitet die Wärme schlechter als Heatspreader und Heatsink.
    -> Warum also nicht die maximale Fläche ausnutzen und nur auf den "Hotspot" setzen?
    Sind nicht minimale Lufteinschlüsse weniger schädlich als 1/4 bis 1/3 der Heatspreader-Fläche auszulassen? Die Wärme wird immerhin besser durch das Metall geleitet und verteilt als durch die Paste: Mehr Gesamtfläche wäre demnach logisch betrachtet also auch automatisch besser.

    Man kann es halt immer so oder so auslegen. Wichtig ist auf jeden Fall das, was auch im Test deutlich gesagt wurde: Wie man es auch "richtig" macht, es ist immer gleich verkehrt. Es gibt nur noch die Möglichkeit es total falsch zu machen: Viel zu viel nehmen, so daß die Paste zu den Seiten rausquillt, wenig Anpressdruck und den am besten noch ungleichmäßig, so dass sich der Kühlkörper verkantet und nicht vollflächig aufliegt.

    Die ultimative Lösung:
    Heatspreader und Heatsink zum "Lapping" geben und mit einer Toleranz von 30nm plan "polieren" lassen. ;) Dann kann man sich mit etwas Glück sogar jegliche Paste sparen, da so ebene Oberflächen unter Umständen eine molekulare Bindung eingehen.
    :p
    OK, etwas teuer, etwas aufwändig, aber das wäre schon "nett". Hätte ich Zugriff auf solche Maschinen, würde ich es glatt mal ausprobieren. Dann allerdings wohl ohne Heatspreader, der stört dann nur.

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    In der Not habe ich auch mal Zahnpasta verwendet... und dann vergessen, dass ich das bei der nächsten Gelegenheit ersetzen wollte.
    Es ging mindestens ein halbes Jahr (oder war es über ein Jahr?) gut, irgendwann ist die Paste aber ausgetrocknet. Als die Karte dann regelmäßig abschmierte, da offenbar zu heiß, war "eingebrannte Zahnpasta" auf der GPU.

    Kein Witz: Mit Dremel und Drahtbürstenaufsatz habe ich die Chip-Oberseite (kein nackter Die, es war: !) saubergeschmirgelt, was angenehm nach Minze roch. Dann Wärmeleitpaste aufgetragen und widererwarten funktionierte die Karte dann sogar. :)
    Naja, was man nicht alles mit Alt-Hardware ausprobiert, wenn man keine Lust hat etwas neues zu kaufen...
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  • derGhostrider
    Entschuldigt das Doppelposting, aber was soll denn der JavaScript-Murks?
    "mtrcs_665697.js" von s317.meetrics.net
    Gehört s317.meetrics.net zu THG? Warum braucht ihr neuerdings Javascript für einfache Graphen?

    Einerseits einen verschlüsselten eMail-Anbieter loben, andererseits den Sicherheits-GAU Javascript auf die eigenen Seiten einbetten. Und dann sogar noch von einer unbekannten Drittherstellerseite. Das ist doch schon ein bemerkenswerter Fehlgriff gaaanz tief ins Klo.
    Gibt's die Seite der Ergebnisse auch ohne javascript?
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