Das große Wärmeleitpasten-Tutorial mit 85 getesteten Pasten (2017)

Grundlagen: Heatspreader und Heatsink

Der Heatspreader

Schneidet man 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 (TIM). Damit verringert sich die Wärmeleitfähigkeit dieser Zwischenschicht enorm, was uns letztendlich auch die Schwierigkeiten bei der Kühlung übertakteter CPUs 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:

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 (leider) stark 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.

Und 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.

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.

Huckelpisten statt glatter Oberfläche

Nein, also wirklich homogen sind die Oberflächen des Heatspreaders und des Heatsinks nun wirklich nicht. Unterm Mikroskop sieht man sehr deutlich, dass eine fürs menschliche Auge glatt scheinende Oberfläche eine wahre Huckelpiste darstellt (Bild 1)

Drückt man nun beide Oberflächen aufeinander (Bild 2), dann wird deutlich, dass sich nur wenige Moleküle wirklich direkt berühren und zwischendrin jede Menge Luft eingeschlossen wird. Luft ist jedoch ein denkbar schlechter Wärmeleiter, sondern eher ein Isolator. Somit verpufft der ganze Konstruktionsaufwand ziemlich komplett, denn nur dort, wo sich beide Metallkörper wirklich direkt berühren, kann die Abwärme auch in den Kühler abgeleitet werden.

Ein wärmeleitendes Medium muss her! Paste oder Pad

Genau an dieser Stelle setzt nun die Überlegung an, eine optimale Verbindung zwischen beiden Flächen zu schaffen, die flüssig und/oder flexibel genug ist, um die Luft nach außen zu verdrängen und komplett zu ersetzen. Da man mit solchen Medien, egal ob nun als Paste, Pad oder "Flüssigmetall," nie die Wärmeleitfähigkeit der beiden anderen Flächen erreichen wird, muss die Schicht dünn genug sein, um möglichst wenig zusätzlichen Widerstand zu erzeugen, jedoch immer noch dick genug, um Unebenheiten und damit mögliche Lufteinschlüsse zu vermeiden.

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41 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • drno
    Danke! Informativ und passend zum sommerlichen Wetter.
    Gut illustriert! Eine Menge Know How im Test-Update!
    Frage: Soviel ich weiß unterscheiden sich die Diamanten-Kit Pasten 7 und 24 von Innovation Cooling lediglich durch unterschiedliche Verpackungsmengen = Tubengrößen.

    Es handelt sich - nach meinem Wissen - nicht um verschiedene Qualitäten Paste in den Tuben. Bis auf eine mögliche Qualitätsstreuung in verschiedenen hergestellten Chargen sind die hier voneinander abweichenden Testergebnisse für mich nicht nachvollziehbar, wobei ich selbstverständlich von einem sorgfältigen Testaufbau und -abwicklung ausgehe.
    Hast du eine bessere Erklärung?
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  • FormatC
    Die Pasten sehen auch optisch definitiv NICHT identisch aus und unterscheiden sich auch in der Konsistenz deutlich. Ich habe sie aus zwei verschiedenen Quellen bezogen, allerdings kann man auch nirgendwo aufs Alter schließen, weil kein entsprechender Aufdruck zu finden ist. Dass die Zahl im Namen auf die Karat-Zahl schließen lässt, das weiß ich. Trotzdem waren sie im Test sehr unterschiedlich und nur das kann ich auch reinschreiben.

    Welche der Probem jetzt auf die tatsächliche Qualität bezieht und ihr am Nächsten kommt - keine Ahnung. Aber der Tipp ist gut, dies vielleicht im Text noch mit zu ergänzen. Gute Idee!
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  • Bertl96
    Interessant hätte ich noch gefunden wie sich die Zahnpaste im Vergleich zu garkeiner Paste schlägt :-P, oder grillt/killt man dabei die CPU?
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  • drno
    Wäre gespannt darauf, was der Hersteller dazu sagt!
    Hat es vielleicht eine Änderung in der Zusammensetzung gegeben?
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  • FormatC
    Gar keine Paste ist keine Lösung, die CPU throttelt komplett runter. :D

    @Drno:
    Ich habe das gleich mal als Hinweis mit eingearbeitet. Danke!
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  • Mirage_DU
    Guter Artikel. Was ich allerdings noch gerne gesehen hätte wären Beispiele für die Grafikkarte. Es wurde ja gesagt das durch die automatische Regelung der Karten der Lüfter bei gleicher Temperatur der Lüfter niedriger drehen kann und im Umkehrschluss die Temperatur anderer Komponenten wie Speicher und Spannungswandler steigt. Ebenso der Einfluss der per Wärmeleitpad verbundenen Backplate.

    Für den Drehzahleinfluss hätte das jetzt definitiv nicht für das ganze Sortiment der Pasten sein müssen. Aber einmal mit einer guten Paste und einmal mit der Werkspaste oder wegen häufiger Demontierung auch einfach einer schlechteren Paste, wäre ganz gut gewesen um einfach ein Beispiel dafür zu haben.

    Messungen zu einer per Pads integrierten Backplate gab es ja meine ich mindestens als EVGA Karten etwas arg heiß wurden. Eine Verlinkung zu den Ergebnissen wäre dafür ja auch schon ausreichend. Einfach nur damit man auf die Informationen zusammen aus einem Artikel heraus zugreifen kann.
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  • fffcmad
    Cool. Und gerade vorgestern hatte ich das Thema erst mit einem Techniker und hatte auf Tomshardware verwiesen. Und heute sehe ich hier einen neuen Test. Klasse :)
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  • FormatC
    Anonymous sagte:
    Guter Artikel. Was ich allerdings noch gerne gesehen hätte wären Beispiele für die Grafikkarte. Es wurde ja gesagt das durch die automatische Regelung der Karten der Lüfter bei gleicher Temperatur der Lüfter niedriger drehen kann und im Umkehrschluss die Temperatur anderer Komponenten wie Speicher und Spannungswandler steigt. Ebenso der Einfluss der per Wärmeleitpad verbundenen Backplate...


    Schau mal:
    Zitat:
    Verweis auf unseren How-To-Artikel

    Wer zu diesem Thema noch viel weiter in die Materie einsteigen möchte und selbst vielleicht sogar einen Umbau plant, sei an dieser Stelle auf unseren großen How-to-Guide: Grafikkartenkühlung und Wärmeleitpaste optimieren verwiesen, der auch noch eine detaillierte Checkliste für alle zu erledigenden Schritte enthält und den wir auszugsweise hier mit Nutzen.
    Steht gleich am Anfang von Seite 4
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  • Marty_
    zu "Geheimnisvoller gestaltet sich da z.B. Be Quiet mit der DC 1, für die man pauschal 60% Metalloxide, 30% Zinkoxid (ist Zink etwa kein Metall?) und 10% Silikon angibt."

    Zink ist ein Metall Zinkoxide nicht nein
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  • Tesetilaro
    Anonymous sagte:
    zu "Geheimnisvoller gestaltet sich da z.B. Be Quiet mit der DC 1, für die man pauschal 60% Metalloxide, 30% Zinkoxid (ist Zink etwa kein Metall?) und 10% Silikon angibt."

    Zink ist ein Metall Zinkoxide nicht nein


    Und jetzt liest Du noch mal deine Quote und was Du geschrieben hast, Igor hat recht, Du hast nicht nachgedacht, danke!
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  • Plitz
    Mal wieder alles richtig gemacht.

    Am Freitag bestellt:

    NH-D15 mit der Thermal Grizzly Kryonaut
    Raijintek Morpheus II und die Thermal Grizzly Conductonaut, gelüftet durch 2 Noctua NF-S12A

    Heute morgen sehe ich den neuen Test hier und gleichzeitig klingelt auch schon der Postbote!

    Der NH-D15 ersetzt bei mir eine Corsair H115i, welchen ich damals mit der JunPus D9000 auf einem 6850k mit moderaten 4,0GHz verbaut hatte.
    Der Morpheus II wird bei mir auf eine EVGA 1080 FTW verbaut, welcher von EVGA schon die Thermalmods erhalten hat.

    Das Ergebnis ist mehr als zufriedenstellend!

    Im Stresstest CPU, FPU, Cache, Memory bin ich von 72°C auf 58°C runter.
    Prime95 neueste Version, OHNE AVX Offset bin ich von 100°C und 12% Thermal Throttling auf 77°C runter.

    Der Morpheus schaffte es währenddessen von vorher 2100MHz stabil bei 57°C und 3250RPM (maximal, nur um zu sehen was technisch Möglich ist) auf 2151MHz stabil bei 45°C und 800RPM.

    Welchen Anteil an diesen Ergebnissen Die Kryonaut/Conductonaut gespielt hat kann ich leider nicht nachvollziehen. Das Auftragen beider Pasten ging super einfach, wobei man bei der Conductonaut starke Nerven haben muss und auch Geduld mitbringen sollte, bis der Ball sich ordentlich verteilen lässt muss man schon ordentlich drücken und rudern ... und die Angst spielt immer mit einen falschen Griff zu machen :D


    Danke FormatC für deinen exzellenten Wärmeleitpasten-Test!
    Danke FormatC für deinen Raijintek Morpheus II Test damals (seit ich den vor 3 Jahren gelesen habe wollte ich den schon immer haben!).
    Danke der8auer für die praktischen Tipps die er mir gestern noch für die Wärmeleitpasten auf den Weg gegeben hat.
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  • drno
    Deine bestellten Noctua Puster sind neu - der olle Standart-Lüfter hatte keinen brauchbaren Staudruck und war ein Klacker vor dem Herrn.

    http://noctua.at/de/which_fan_is_right_for_me

    Die revolutionäre Turbinengeometrie gabs auch schon - ähnlich gestaltet - bei den frühren SilenX, die allerdings unter mangelndem Controlling seitens des Herstellers litten.

    Neugier: Also - wie sind denn nun die teuren Lüfterlinge? Ist das IC mit nem Sensor an der Achse, oder noch ein Xtra Kabel? Haste die an ner Lüsteuerung mit dem Redzierer oder direkt am Mobo oder - so wie ich - immer auf Vollgas und gut?
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  • Hinagiku
    Ich hoffe ja immer noch, dass mal jemand die Panasonic PGS Folien testet. Die werden zwar nicht so gut Unebenheiten ausgleichen, aber könnten durch den extremen Wärmeleitwert trotzdem brauchbar sein. Gerade für GPUs die um einiges planer sind als die buckligen Heatspreader einer CPU wäre das Interessant.
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  • Plitz
    @drno
    Er wirkt sehr ruhig. Habe ihn über ein Y-Kabel (lag bei) direkt am Mainboard angeschlossen und betreibe ihn mit 70% Leistung. Kein klackern, keine störendes PWM auf und abdrehen. Aber wie es aussieht habe ich die falschen Lüfter für meinen Zweck gekauft xD der F12 war der, den ich für den Zweck hätte nehmen sollen ... wobei die Laufruhe bei dem ja nicht so gut sein soll laut Noctua. Naja, beim nächsten mal bin ich schlauer. Aber der Morpheus ist ja auch nicht so böse wie ein Radiator, da denke ich wirkt sich der niedrigere statische Druck nicht so extrem aus. Er macht jedenfalls seinen Job und das gut. :)
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  • drno
    Plitz, ist mir auch aufgefallen - aber -
    wenn er mit 70 % läuft - und sich ggf. selbst mit IC steuert, dann ist wohl noch genügend Reserve vorhanden - sonst kannst die Teile ja sehr gut für das Gehäusle nehmen.

    Außerdem ist der D15 keiner von den ersten engen "wo soll hier die Luft durch ?- Muggens" - sogar die Macho Revison 120 A hält die Rippen in so weit *!* nun genügend auseinander, daß diese Lüfter wohl dicke ausreichen werden.

    ALternative + gewerblliche Nutzung: https://www.reichelt.de/?ARTICLE=163574&PROVID=2788&wt_mc=amc141526782519998&gclid=CjwKEAjwytLKBRCX547gve7EsE4SJAD3IZV6i1XFCxhsxn3cx5TDHfCc5J3u_Lt8kgkXWCKedaJuzBoC3Qbw_wcB

    2,65 statischer Druck!! PWM auch gut, und vergleichsweise preiswert.
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  • Plitz
    Ah, wir reden ein bisschen aneinander vorbei :D

    Ich habe die NF-S12A auf dem Morpheus sitzen und die kühlen die Graka. Den NH-D15 habe ich mit den Standardlüftern bestückt, welche ich auch fest auf rund 800RPM habe. Ich denke aber, dass ich auch mit dem größten Druck der Welt nicht mehr viel bei dem Graka-Kühler erreichen würde. 45°C sind schon eine Hausnummer unter max OC. Wenn ich die Graka dauerhaft unter 43°C halten könnte hätte ich eben 11MHz mehr durch Turboboost ... aber ist es mir das am Ende wert, wenn die Lüfter dadurch nicht mehr so ruhig sind? Naaaa! Ich verzichte und bin zufrieden.

    https://geizhals.de/enermax-d-f-pressure-pwm-ucdfp12p-a1491168.html?hloc=de

    4,81 statischer Druck, bei auch "nur" 2000 RPM!

    https://geizhals.de/enermax-twister-pressure-uctp12p-a1068979.html?hloc=de

    3,85 bei nur 1800 RPM

    https://geizhals.de/akasa-12cm-blue-led-case-fan-ak-174cb-4blb-a649524.html?hloc=de

    3,57 bei 1700 RPM

    Es gibt schon viele Druckmacher da draußen die auch vergleichsweise günstig sind, aber wer kann schon zuverlässig sagen wie laut diese bei den angegeben RPM werden. Da bin ich dann nicht so geizig, dass ich Experimente eingehen will, sondern greife lieber zu bewährter Qualität, wo ich weiß was ich bekomme. Ich würde ungern Ware zurückschicken. Musste ein mal ein Netzteil zurück schicken, weil ich dummerweise das falsche bestellt habe und hab mich so mies dabei gefühlt.


    Als nächstes also ein Lüfter-Roundup für die besten Gehäuse- und Radiator-Lüfter? ;)
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  • drno
    Nicht wesentlich - Trotzdem: Jetzt hab sogar ich es verstanden!
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  • FormatC
    @Lüfter:
    Ich bin hier zeitlich leider etwas limitiert, da ich die GPUs nunmehr weltweit für TH alleine mache und auch sonst bei vielen Dingen (u.a. CPUs) die technische Messungen beisteuern muss. Da wird es für sowas etwas arg eng. Es ist Euch ja sicher schon aufgefallen, dass die Artikel bis auf Freitagsreviews / Fotostrecken alle von mir sind. Dazu kommen noch mein Labor und die eigene Entwicklungsarbeit. Mein Tag hat hier bis zu 16 Stunden. Wochenenden sind purer Luxus.
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  • drno
    @FormatC: Darunter leidet die Qualität dankenswerter Weise nicht!
    Ich frag mich auch, wie alles unter einen Hut paßt! Darum aus Platzgründen die Kappe!?
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  • Bertl96
    Das mit der Qualität kann ich nur zum Teil unterschreiben, die "technische" Qualität auf dieser Seite ist spitze, dafür leidet die sprachliche Qualität doch öfter darunter, da immer wieder Sätze in den Artikeln vorkommen die gramatikalisch keinen Sinn ergeben. Das ist zwar schade, trotzdem Hut ab vor deiner Arbeit Igor.
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