Kupferunterlegscheibe vs. Wärmeleitpad: Die wichtigsten Unterschiede

Eine Kupferunterlegscheibe ist nicht automatisch besser als ein Wärmeleitpad, auch wenn Kupfer eine wesentlich höhere Volumewärmeleitfähigkeit aufweist. Kupfer ist starr, ein Wärmeleitpad hingegen nachgiebig. Dieser einfache mechanische Unterschied beeinflusst, wie die jeweiligen Materialien mit der Wärmequelle in Kontakt kommen, wie sie mit Spaltabweichungen umgehen, wie sie empfindliche Bauteile belasten und wie sie sich während der Montage verhalten.

In einer flachen, streng kontrollierten Schnittstelle kann ein Kupferabstandshalter mit korrekter Abmessung und sehr dünnem Schnittstellenmaterial auf beiden Seiten gut funktionieren. Bei einer Baugruppe mit ungleichmäßigen Bauteilhöhen, ungewissen Toleranzen, Vibrationen oder der Notwendigkeit einer elektrischen Isolierung ist ein komprimierbares Pad in der Regel die sicherere Wahl.

Die eigentliche Frage lautet also nicht: “Welches Material hat den höheren W/mK-Wert?”, sondern: “Welche komplette Schnittstelle sorgt für den niedrigsten zuverlässigen Widerstand, ohne die Baugruppe zu beschädigen?” Dieser Leitfaden begleitet Sie bei dieser Entscheidung für GPUs, VRAM, Laptops, Leistungsmodule, Telekommunikationshardware und Industrieelektronik.

Kupferunterlegscheibe vs. Wärmeleitpad: Ein kurzer Vergleich

Eine Kupferunterlegscheibe zeichnet sich durch hohe Leitfähigkeit und Formstabilität aus, während ein Wärmeleitpad sich durch gute Anpassungsfähigkeit, elektrische Isolierung und Toleranzaufnahme auszeichnet. Kupfer kann Wärme effizient durch seinen Körper leiten, doch ein schlechter Kontakt auf einer der beiden Seiten kann diesen Vorteil zunichte machen. Ein Pad weist zwar eine geringere Leitfähigkeit auf, kann jedoch auch auf rauen, geneigten oder unterschiedlich hohen Oberflächen einen vollständigeren Kontakt herstellen.

Dies ist eine vorläufige Übersicht und keine endgültige Spezifikation. Die Ergebnisse können sich ändern, wenn sich der tatsächliche Spalt, die Klemmkraft, die Oberflächenbeschaffenheit oder die Spannungsanforderungen ändern. Ein Fehler von 0,2 mm, der auf einer Zeichnung winzig erscheint, kann bereits ausreichen, um einen Kühlkörper vom GPU-Chip abzuheben oder ein Speichermodul zu überlasten.

Was ist eine Kupferunterlegscheibe und was ist ein Wärmeleitpad?

Eine Kupferunterlegscheibe ist ein starrer Metallabstandhalter, der dazu dient, einen festgelegten Abstand in einem Wärmepfad zu überbrücken. Ein Wärmeleitpad ist eine weiche, gefüllte Polymerfolie, die sich verformen und bei unterschiedlichen Spaltbreiten Kontakt herstellen kann. Beide können Wärme leiten, lösen jedoch unterschiedliche mechanische Probleme. Viele Kühlprojekte scheitern daran, dass sie als direkte Ersatzteile betrachtet werden.

Kupferunterlegscheiben sind starre, wärmeleitende Abstandshalter

Eine thermische Kupferunterlegscheibe ist in der Regel ein dünnes, flaches Stück Kupfer, das auf Maß geschnitten oder gestanzt wurde. Zu den gängigen Materialien zählen C110-Kupfer, sauerstofffreies Kupfer und vernickeltes Kupfer. Das Metall kann in präzisen Dicken geliefert werden, doch seine Leistungsfähigkeit hängt auch von der Ebenheit, der Grathöhe, der Oberflächenrauheit, der Oxidation und der Art der Befestigung ab.

Kupfer überbrückt die sichtbare Lücke. Es füllt mikroskopisch kleine Vertiefungen auf einem Chip, einem Wärmeverteiler oder einem Kühlkörper nicht von selbst aus. Selbst zwei Teile, die spiegelglatt aussehen, weisen Erhebungen und Vertiefungen auf. Wenn eine blanke Ausgleichsscheibe diese Erhebungen berührt, kann ein Großteil der sichtbaren Fläche dennoch Luft enthalten. Aus diesem Grund wird bei Kupfer-Ausgleichsscheiben-Baugruppen üblicherweise auf beiden Seiten eine sehr dünne Schicht Wärmeleitpaste, Phasenwechselmaterial oder ein anderes anpassungsfähiges Wärmeleitmaterial (TIM) verwendet.

Diese zusätzlichen Schichten sind Teil des Designs. Ihre Dicke und Abdeckung dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Die Unterlegscheibe muss außerdem saubere Kanten, ausreichend Abstand zu benachbarten Bauteilen und einen sicheren Halt aufweisen, damit sie nicht in freiliegende Schaltkreise rutschen kann.

Wärmeleitpads sind nachgiebige, spaltfüllende Schnittstellen

Ein Wärmeleitpad besteht in der Regel aus einer Matrix aus Silikon oder einem silikonfreien Polymer in Kombination mit einem wärmeleitfähigen keramischen Füllstoff wie Aluminiumoxid oder Bornitrid. Das Verhältnis von Polymer, Füllstoff und Verstärkungsmaterial bestimmt die Leitfähigkeit, Härte, Klebkraft, die dielektrischen Eigenschaften, die Druckverformungsrest und die Langzeitstabilität.

Im komprimierten Zustand passt sich ein Pad der Oberflächenstruktur und den Höhenunterschieden der Bauteile an. Es kann Kontakt zu mehreren VRAM-Bausteinen oder MOSFETs herstellen, selbst wenn diese nicht genau in derselben Ebene liegen. Das Pad kann zudem als elektrische Isolierung und zur Schwingungsdämpfung dienen. Dies sind nützliche Funktionen, die eine einfache Kupferplatte nicht erfüllen kann.

Die Polster werden als Bögen, Rollen und kundenspezifisch konfektionierte Teile geliefert. Dabei spielen die Dicke, die Härte nach Shore 00 oder Shore OO, das Druck-Durchbiegungsverhalten, die Gestaltung der Trägerfolie sowie die Platzierungsgenauigkeit eine wichtige Rolle. Haktaks Produktfamilie „Thermalpads“ umfasst Standard- und anwendungsspezifische Formate zum Ausfüllen von Lücken bei Elektronikbaugruppen.

Warum der höhere W/mK-Wert von Kupfer nicht automatisch einen geringeren Grenzflächenwiderstand bedeutet

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie leicht sich Wärme durch ein Material ausbreitet. Sie gibt jedoch keinen Aufschluss über die gesamte Verbindung. Zu einer funktionierenden Schnittstelle gehört auch der Kontaktwiderstand an beiden Oberflächen. Kupfer kann zwar in der Mitte einen sehr schnellen Wärmepfad bilden, doch wenn der Kontakt an einem der beiden Enden unzureichend ist, kann die gesamte Anordnung eine schlechtere Leistung erbringen als ein weicheres Kontaktpad mit besserem Kontakt.

Ein vereinfachtes Modell lautet: R_total = R_contact 1 + t/(kA) + R_contact 2

Hier, t ist die Materialdicke, k ist die Wärmeleitfähigkeit und A ist die effektive Fläche. Der mittlere Term ist der Volumenwiderstand des Materials. Die beiden Kontaktterme stehen für den unvollständigen Kontakt an den Oberflächen.

Stellen Sie sich Kupfer wie eine breite, schnelle Autobahn vor. Wenn es an beiden Auffahrten zu einem Stau kommt, löst eine Verbreiterung der Straße in der Mitte nicht das Problem für die gesamte Strecke. Wärmeleitpaste kann helfen, diese Auffahrten freizumachen, indem sie mikroskopisch kleine Hohlräume ausfüllt, aber sie fügt Material hinzu und muss dünn aufgetragen werden. Zu viel Paste wird zu einer weiteren Widerstandsschicht. Zu wenig kann zu trockenen Stellen führen.

Der Kontaktwiderstand hängt von der Oberflächenrauheit, der Ebenheit, dem Anpressdruck, der Benetzung und der tatsächlichen Kontaktfläche ab. Eine starre Unterlegscheibe auf einer leicht geneigten Oberfläche kann an einer Kante fest aufliegen, während sie an anderen Stellen kaum Kontakt hat. Ein weiches Polster kann sich oft dieser Neigung anpassen, obwohl eine zu große Dicke oder Härte des Polsters eigene Probleme hinsichtlich des Anpressdrucks verursachen kann.

Aufgrund dieser Unterscheidung vergleichen Ingenieure Wärmeleitfähigkeit und thermische Impedanz anstatt sich allein auf W/mK zu stützen. Die offizielle ASTM D5470-17(2024) Mit diesem Verfahren werden die Wärmedurchgangseigenschaften unter den angegebenen Prüfbedingungen gemessen. Beim Vergleich der Ergebnisse müssen Druck, Dicke, Probenvorbereitung und Kontaktverhalten berücksichtigt werden.

Eine kurze Beispielrechnung, keine Leistungszusage

Stellen Sie sich eine Schnittstelle mit den Maßen 20 mm × 20 mm vor. Vergleichen Sie einen 1 mm dicken Kupferabstandhalter mit einem hypothetischen Wärmeleitkoeffizienten von 390 W/mK mit einem 1 mm dicken Kontaktpad mit einem hypothetischen Wärmeleitkoeffizienten von 6 W/mK. Berechnet man nur den Volumewärmewiderstand, ist der Wert für Kupfer weitaus geringer:

• Begriff für Kupfer in loser Form: 0.001 / (390 x 0.0004), über 0,0064 K/W
• Sammelbegriff für Pads: 0.001 / (6 x 0.0004), über 0,417 K/W

Das sieht entscheidend aus. Das ist jedoch noch nicht das gesamte Ergebnis. Die Kupferbaugruppe verfügt noch über zwei Kupfer-zu-TIM-Kontakte und zwei dünne Grenzschichten. Wenn sich die Unterlegscheibe neigt, die Paste zu dick ist oder der Anpressdruck ungleichmäßig ist, können diese Kontaktbedingungen den Ausschlag geben. Das Kontaktfeld weist möglicherweise einen höheren Gesamtwiderstand auf, aber einen besseren tatsächlichen Kontakt.

Die oben genannten Zahlen dienen lediglich der Veranschaulichung physikalischer Zusammenhänge. Sie stellen weder eine garantierte Temperatursenkung noch einen Produktvergleich dar. Ein aussagekräftiger Test muss die tatsächliche Dicke, den Druck, die Fläche, die Ausrichtung und das Alterungsprofil nachbilden.

Der mechanische Unterschied ist oft wichtiger als der thermische Unterschied

Kupfer und Wärmeleitpads reagieren sehr unterschiedlich auf Maßabweichungen. Eine Kupferunterlegscheibe überträgt ihre Dicke und die auf sie wirkende Belastung nahezu direkt auf die Baugruppe. Ein Wärmeleitpad verformt sich und gleicht gewisse Abweichungen aus. Daher sind Spalttoleranz, Gehäusefestigkeit, Leiterplattenverformung und Klemmdruck zentrale Auswahlkriterien und keine Nebensächlichkeiten, die erst nach der Entscheidung hinsichtlich der Leitfähigkeit berücksichtigt werden.

Spalttoleranz und Parallelität

Die auf einem ausgebauten Dichtungselement angegebene Dicke entspricht nicht unbedingt dem Arbeitsspalt. Dichtungselemente werden in der Regel unter Druck eingebaut. Ein Dichtungselement mit einer Nenndicke von 1,5 mm kann im Betrieb eine geringere Dicke im komprimierten Zustand aufgewiesen haben, und die Kompression war möglicherweise nicht über das gesamte Bauteil hinweg gleichmäßig.

Messen Sie den minimalen, nominalen und maximalen Spalt im zusammengebauten Zustand über mehrere Einheiten hinweg. Berücksichtigen Sie dabei die Toleranzen bei der Bauteilhöhe, die Lötdicke, die Ebenheit des Gehäuses, die Neigung des Kühlkörpers, die Position der Befestigungselemente und die Wärmeausdehnung. Wenn sich der Spalt über die Schnittstelle hinweg ändert, kann eine einheitliche Metallunterlegscheibe zu einem starren Drehpunkt werden.

Druck, Belastung der Verpackung und Verbiegung der Leiterplatte

Eine starre Unterlegscheibe lässt nicht viel Spielraum bei der zusätzlichen Bauhöhe. Ist sie zu dick, kann sie einen freiliegenden Chip, ein VRAM-Gehäuse, BGA-Lötstellen oder eine dünne Leiterplatte belasten. Außerdem kann sie verhindern, dass der Kühler Kontakt zu einer benachbarten Komponente aufnimmt. Aus diesem Grund wird ein GPU-Kern manchmal heißer, nachdem jemand die Speicherschnittstelle “optimiert” hat.

Polster federn Schwankungen ab, sind aber keine harmlosen Kissen. Ein hartes Polster oder eine übermäßige Kompression können dennoch hohe Kräfte erzeugen. Das Auswirkung der Kompression auf die Leistung von Wärmeleitpads muss gegen die sichere Belastung durch Gehäuse, Lötstellen und die Leiterplatte abgewogen werden.

Die Übersicht der NASA über Wärmeregulierung bei Kleinsatelliten bringt einen wichtigen allgemeinen Punkt auf den Punkt: Die Leitfähigkeit einer Schnittstelle hängt vom Anpressdruck ab, und Schraubverbindungen sorgen nicht unbedingt für einen gleichmäßigen Druck. Das gleiche Prinzip gilt für einen Kühlkörper, der mit Schrauben oder Federklammern befestigt ist. Das Drehmoment allein ist kein Beweis dafür, dass jede Komponente einen guten Kontakt aufweist.

Elektrische Isolierung und Sicherheit bei der Aufstellung

Kupfer leitet Strom. Das mag bei einem isolierten Wärmeverteiler akzeptabel sein, stellt jedoch in der Nähe von passiven Bauteilen, Lötstellen, Testpunkten und freiliegenden Leiterbahnen eine ernsthafte Gefahr dar. Bei der Konstruktion müssen die Kriechstrecken, die Luftstrecken sowie die Möglichkeit berücksichtigt werden, dass sich eine lose Unterlegscheibe nach einem Stoß oder während des Betriebs verschiebt.

Eine isolierende Beschichtung oder Folie kann elektrische Risiken verringern, stellt jedoch eine weitere Schicht im Wärmeleitpfad dar. Ihre Durchschlagfestigkeit, Dicke, Haftfestigkeit und Durchstoßfestigkeit müssen überprüft werden. Wenn Wärmeübertragung und Isolierung von einem einzigen Bauteil gewährleistet werden müssen, elektrisch isolierende Wärmepads lassen sich oft leichter kontrollieren.

In welchen Fällen kann eine Kupferunterlegscheibe sinnvoll sein?

Eine Kupferunterlegscheibe ist vor allem dann sinnvoll, wenn der Spalt stabil ist, beide Oberflächen eben und parallel sind, die Klemmkraft kontrolliert wird und die elektrische Leitfähigkeit entweder akzeptabel ist oder bewusst unterbunden wird. Unter diesen Bedingungen fungiert die Unterlegscheibe als technisch konzipierter Abstandhalter. Weniger überzeugend ist ihr Einsatz, wenn sie dazu dient, bei einer Reparatur einen unbekannten Spalt zu schätzen.

Kontrollierte Schnittstellen für Wärmeverteiler

Bei einer bearbeiteten Baugruppe mit strenger Maßkontrolle kann der Einsatz eines Kupferdistanzstücks sinnvoll sein. In der Konstruktion sollten die Kupfersorte, die Dickentoleranz, die Ebenheit, der Kantenzustand und die Haltekraft festgelegt werden. Sehr dünne Schichtübergänge können dann mikroskopische Unebenheiten auf beiden Seiten ausgleichen.

Eine Vernickelung kann in Betracht gezogen werden, wenn Oxidation, wiederholte Handhabung oder Oberflächenverträglichkeit eine Rolle spielen. Die Beschichtung verändert die Oberfläche und sollte in thermische Prüfungen und Haftfestigkeitsprüfungen einbezogen werden. Sie dient nicht nur kosmetischen Zwecken.

Behebung eines bekannten mechanischen Spaltes

Bei einem Laptop, einem Mini-PC oder einem eingebetteten Gerät kann es zu einem echten Abstandsproblem zwischen einem Bauteil und seinem Kühlkörper kommen. Wenn Messungen einen stabilen Abstand ergeben, kann eine Kupferunterlegscheibe diese Geometrie korrigieren. Dabei handelt es sich in erster Linie um eine mechanische Reparatur und erst in zweiter Linie um eine thermische Anpassung.

Berichte im Internet über starke Temperaturabfälle können nützliche Anhaltspunkte sein, sind jedoch keine übertragbaren Angaben. Möglicherweise war das ursprüngliche Kühlpad beschädigt, der Kühler war nicht richtig eingesetzt oder der angegebene Sensor befindet sich nicht an der Stelle mit der höchsten Temperatur. Die Unterlegscheibendicke eines anderen Nutzers zu übernehmen, ohne das eigene Gerät zu vermessen, ist ein Glücksspiel.

Hybride Metallverteilerkonstruktionen

Eine speziell konstruierte Kupferplatte mit einer dünnen, nachgiebigen Wärmeleitpaste (TIM) kann die Menge an Material mit geringer Leitfähigkeit über einen größeren, gut kontrollierten Spalt hinweg reduzieren. Dies kann in der Leistungselektronik und bei Wärmeverteilerstrukturen sinnvoll sein.

Was in der Regel keinen Sinn ergibt, ist eine improvisierte Anordnung aus einer dicken Unterlegscheibe, einer losen Ausgleichsscheibe und einer weiteren dicken Unterlegscheibe. Jede zusätzliche Schicht bedeutet eine weitere Schnittstelle und eine weitere Toleranz. Ist der Spalt groß und unregelmäßig, lässt sich ein anpassungsfähiges Material oder ein neu gestalteter Spreizkörper in der Regel leichter validieren.

In welchen Fällen ist ein Wärmeleitpad in der Regel die bessere Wahl?

Ein Thermopad ist in der Regel die sicherere Wahl, wenn bei einer Baugruppe Nachgiebigkeit, elektrische Isolierung, Vibrationsfestigkeit oder eine wiederholgenaue Platzierung im Fertigungsprozess erforderlich sind. Pads sind besonders nützlich bei der Verbindung mehrerer Bauteile, da sie geringfügige Höhenunterschiede ausgleichen, ohne dass das höchste Bauteil zu einem starren Anschlag wird. Das richtige Pad muss dennoch über eine kontrollierte Dicke, Härte und Kompression verfügen.

GPUs, VRAM und Komponentenanordnungen mit unterschiedlichen Höhen

Speichergehäuse, die eine GPU umgeben, bilden selten eine perfekte Ebene. Dazu tragen die Durchbiegung der Leiterplatte, Toleranzen der Gehäuse sowie die Ebenheit der Lötstellen und des Kühlkörpers bei. Ein Kontaktpad kann den Kontakt über das gesamte Array verteilen. Eine einzelne starre Platte kann ein hochgelegtes Gehäuse belasten und dazu führen, dass ein tiefer gelegenes Gehäuse nur einen schwachen Kontakt aufweist.

Das Kühlpad darf außerdem nicht dazu führen, dass sich der Kühler vom GPU-Chip abhebt. Das bedeutet, dass Kerntemperatur, Speichertemperatur und mechanischer Anpressdruck gemeinsam überprüft werden sollten. Ein verbesserter Sensor allein ist kein Beweis dafür, dass die gesamte Baugruppe in einem besseren Zustand ist.

Gehäuse für Leistungselektronik, Telekommunikation und Industrie

MOSFETs, IGBT-Module, Basisbandprozessoren, HF-Bauteile, LED-Platinen und gekapselte Steuerungen leiten Wärme häufig an ein Metallgehäuse ab. Diese Produkte sind Vibrationen, Temperaturwechseln und Bewegungen des Gehäuses ausgesetzt. Ein Kontaktpad kann den Kontakt aufrechterhalten, während sich der Bauteilstapel ausdehnt und zusammenzieht.

Auch die Wartungsfreundlichkeit spielt eine Rolle. Ein vorgeschnittenes Polster kann an einer Oberfläche befestigt bleiben oder als kontrolliertes Bauteil ausgetauscht werden. Fettansammlungen um eine lose Metallunterlegscheibe herum lassen sich in einer Fertigungslinie möglicherweise schwerer überprüfen und reproduzieren.

Elektrisch empfindliche Schnittstellen

Wärmeisolierende Polster können einen Wärmepfad mit einer dielektrischen Trennung kombinieren. Die Spezifikation sollte Angaben zu Dicke, Durchschlagverhalten, Mängeln, Kompression und der vorgesehenen Spannungsumgebung enthalten. Eine im Katalog angegebene Dielektrizitätszahl berechtigt nicht dazu, die Kriech- und Luftstrecken in der Baugruppe zu vernachlässigen.

Reproduzierbare Fertigung und kundenspezifische Formen

Die Pads können mit Löchern, Schlitzen, Laschen, selektiver Klebekraft und Trägerfolien geliefert werden. Diese Merkmale reduzieren Platzierungsfehler und erleichtern die manuelle oder automatisierte Montage. Stanzen von Wärmeleitpads und Sonderformen kann außerdem Material von Steckverbindern, Befestigungselementen und Sperrzonen fernhalten, ohne dass das Bedienpersonal die Teile an der Fertigungslinie zuschneiden muss.

So wählen Sie die Dicke von Kupferunterlegscheiben oder Wärmeleitpads sicher aus

Wählen Sie die Dicke anhand des Spaltmaßes im zusammengebauten Zustand und des zulässigen Drucks aus, nicht anhand des unkomprimierten Teils, das aus dem Gerät kommt. Legen Sie für ein Pad eine angestrebte komprimierte Dicke über den gesamten Toleranzbereich fest. Berücksichtigen Sie bei Kupfer sowohl dünne Grenzschichten als auch die Tatsache, dass der starre Stapel die Bauteile nicht überlasten oder benachbarte Kontakte stören darf.

Schritt 1: Messen Sie den Spaltbereich der Baugruppe

Beginnen Sie mit Zeichnungen, sofern vorhanden, und überprüfen Sie anschließend die tatsächlichen Baugruppen. Messverfahren, druckempfindliche Folie, kontrollierte Ton- oder Knetmasseprüfungen, Koordinatenmessungen und sorgfältige Demontagebefunde können dabei hilfreich sein. Die Methode darf den Spalt, den sie messen soll, nicht verzerren.

Erfassen Sie die Minimal-, Nenn- und Maximalwerte über mehrere Proben hinweg. Erfassen Sie den Spalt an mehr als einer Stelle, falls die Oberflächen geneigt sein könnten. Eine einzige Messung in der Mitte kann einen großen Unterschied an den Rändern verschleiern.

Schritt 2: Festlegen des sicheren Druckbereichs

Ermitteln Sie den schwächsten Teil des Aufbaus. Das kann ein freiliegender Chip, ein Speicherbaustein, eine BGA-Lötstelle, ein Steckverbinder, eine dünne Leiterplatte oder eine Kunststoffverriegelung sein. Berücksichtigen Sie dabei das Anzugsmoment der Befestigungselemente, die Kraft der Federklammern und die Toleranzsumme.

Bei Polstern sollten Sie eher die Daten zur Kompressionsverformung heranziehen als allein die Härte. Die Härte ist zwar nützlich, gibt jedoch keinen direkten Aufschluss über die Kraft, die bei einer bestimmten Kompression entsteht.

Schritt 3: Die Größe eines Wärmeleitpads anhand der Dicke im komprimierten Zustand bestimmen

Die Nenndicke entspricht der angegebenen Stärke. Die Arbeitsdicke ist die nach der Montage verbleibende Dicke. Die Leitfaden zur Auswahl der Dicke von Wärmeleitpads erklärt, warum das ausgewählte Polster die größte Lücke ausfüllen muss, ohne bei der kleinsten Lücke zu stark zusammengedrückt zu werden.

Es gibt keinen allgemeingültigen Kompressionsprozentsatz für jedes Polster. Die verschiedenen Materialzusammensetzungen verhalten sich unterschiedlich. Verwenden Sie die Kompressions-Durchbiegungskurve des Herstellers und legen Sie einen zulässigen Wert fest. Kompressionsverhältnis des Wärmeleitpads für die eigentliche Montage.

Schritt 4: Eine Kupferunterlegscheibe als Teil eines kompletten Stapels auf die richtige Größe zuschneiden

Übernehmen Sie nicht die Nenndicke eines entfernten Pads. Schätzen Sie zunächst den Betriebsabstand. Berücksichtigen Sie anschließend die geplante Wärmeleitpaste oder -folie auf jeder Seite, die Toleranz der Unterlegscheibendicke sowie Abweichungen bei der Beschichtung und der Oberfläche.

Vermeiden Sie es, mehrere lose Unterlegscheiben übereinander zu stapeln, um die gewünschte Höhe zu erreichen. Diese können verrutschen, Verunreinigungen einschließen und zusätzliche Kontaktstellen bilden. Sind mehrere Metallschichten erforderlich, müssen diese durch eine gezielte Befestigung und eine durchdachte Schnittstellenkonstruktion gesichert werden.

Schritt 5: Kontakt überall überprüfen

Überprüfen Sie das Kontaktmuster, bevor Sie sich auf die Temperaturdaten verlassen. Achten Sie auf einen vollständigen, ausreichend dünnen Pastenauftrag auf beiden Seiten der Unterlegscheibe oder auf einen gleichmäßigen Kontaktabdruck über die gesamte Schnittstelle hinweg. Vergewissern Sie sich, dass benachbarte Bauteile weiterhin Kontakt zu ihren vorgesehenen Kühlflächen haben.

Messen Sie die Temperaturen unter realistischen Leistungsbedingungen. Ein Messwert im Leerlauf reicht für eine GPU, einen Wechselrichter oder ein Funkmodul, die zeitweise mit hoher Leistung betrieben werden, nicht aus.

Installation und Validierung: Ein praktischer Arbeitsablauf

Ein aussagekräftiger Vergleich berücksichtigt die Reinigung, die Platzierung, die Klemmkraft und die Prüfbedingungen. Andernfalls können Abweichungen bei der Montage wie Materialunterschiede erscheinen. Überprüfen Sie den Kontakt vor der thermischen Prüfung und wiederholen Sie die entsprechenden Kontrollen nach dem Zyklus- oder Vibrationstest. Das Ziel ist nicht eine beeindruckende Anfangstemperatur, sondern eine stabile Schnittstelle, die reproduzierbar ist.

1. Reinigen und prüfen Sie beide Oberflächen. Entfernen Sie alte Paste, ohne den Wärmeverteiler oder den Kühler zu zerkratzen.
2. Überprüfen Sie die Abmessungen der Unterlegscheibe oder des Pads, deren Ausrichtung, den Abstand zu den Kanten sowie das Entfernen der Schutzfolie.
3. Tragen Sie die angegebene Menge Fett auf jede Seite der Unterlegscheibe auf oder handhaben Sie das Polster, ohne es zu verunreinigen.
4. Die Montage erfolgt unter Einhaltung einer festgelegten Drehmomentfolge, einer Federkraft oder eines Spannungsdrucks.
5. Überprüfen Sie das Kontaktmuster an einem Entwicklungsmuster, bevor Sie sich auf die Temperaturmesswerte verlassen.
6. Führen Sie das tatsächliche Leistungsprofil durch und vergleichen Sie alle relevanten Komponenten, nicht nur einen Sensor.
7. Überprüfen Sie das thermische, mechanische und elektrische Verhalten nach Ablauf des vorgeschriebenen Alterungsprofils erneut.

Für ein anwendungsspezifisches Programm bietet Haktak’s Werkstoffauswahl und -prüfung Der Support kann thermische Überprüfungen mit mechanischen, elektrischen und umweltbezogenen Kontrollen kombinieren.

Häufige Fehlerarten und was sie in der Regel bedeuten

Die meisten Ausfälle lassen sich auf den Kontakt, die Stapelhöhe oder die mechanische Belastung zurückführen. Eine zu hohe Temperatur nach dem Zusammenbau bedeutet nicht automatisch, dass das gewählte Material eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Überprüfen Sie zunächst den Abdruck, die Parallelität des Kühlers und den gesamten Stapel. Prüfen Sie anschließend den elektrischen Abstand sowie Anzeichen von Verschiebung oder Alterung.

Der umfassende Leitfaden zu Warum Wärmeleitpads versagen umfasst Fehler bei der Dicke, unsachgemäße Lagerung, Verunreinigungen und langfristige mechanische Veränderungen. Wenn die vorgeschlagene Lösung lediglich darin besteht, Schichten hinzuzufügen, lesen Sie ob Wärmeleitpads übereinandergestapelt werden können Erstens: Zusätzliche Schnittstellen erschweren die Vorhersage von Ausrichtung und Kompression.

Standards und Daten, die Vergleiche zuverlässiger machen

Sinnvolle Vergleiche berücksichtigen die Dicke, den Druck, die Kontaktfläche, das Prüfverfahren und die Alterungsbedingungen. Die Wärmeleitfähigkeit allein reicht nicht aus. Fragen Sie einen Pad-Lieferanten nach Impedanz- und Kompressionsdaten und einen Shim-Lieferanten nach Legierung, Toleranz, Ebenheit und Kantenqualität. Überprüfen Sie anschließend die fertige Verbindung, da Materialdaten nicht jede reale Gehäuse- oder Kühlerkonfiguration abbilden können.

Die Norm ASTM D5470 wird häufig zur Charakterisierung der Wärmeübertragungseigenschaften von Grenzflächenmaterialien herangezogen. Sie ist nützlich, da sie berücksichtigt, dass Druck und Kontakt eine Rolle spielen. Sie garantiert jedoch nicht die gleiche Leistung in einem GPU-Kühler, einem Leistungsmodul oder einem Außenregler mit unterschiedlichen Oberflächen und Belastungen.

Für ein Wärmeleitpad bitte anfordern:

• Dicke und Toleranz
• Prüfverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit
• Wärmeimpedanz bei angegebenem Druck und angegebener Dicke
• Härtebestimmungsmethode und Härtewert
• Druck-Durchbiegungs-Kurve
• Angaben zur Durchschlagfestigkeit oder zum Durchschlag, sofern erforderlich
• Dauerverformung, thermische Alterung und Umgebungsbedingungen

Für eine Kupferunterlegscheibe bitte anfordern:

• Kupferlegierung und Leitfähigkeitsgrundlage
• Dicke und Toleranz
• Ebenheit und Oberflächenrauheit
• Spezifikation für Grate und Kantenkontrolle
• Art und Dicke der Beschichtung, falls vorhanden
• Sauberkeit, Verpackung und Oxidationskontrolle

Die offizielle Website der Copper Development Association Daten zur Kupferlegierung C11000 liefert nützliche Hintergrundinformationen zur Leitfähigkeit und zum physikalischen Verhalten des Metalls. Diese Eigenschaften erklären, warum Kupfer attraktiv ist, doch die fertige thermische Verbindung muss noch als Baugruppe getestet werden.

Checkliste zur Auswahl zwischen Kupferunterlegscheibe und Wärmeleitpad

Wählen Sie ein Wärmeleitpad, wenn der Spalt variiert, die Bauteile empfindlich sind oder eine elektrische Isolierung erforderlich ist. Ziehen Sie einen Kupferstapelsatz in Betracht, wenn die Abmessungen präzise sind, die Oberflächen eben sind, die Belastung kontrolliert wird und dünne Trennschichten gleichmäßig aufgetragen werden können. Wenn keine der beiden Optionen zur Geometrie passt, überdenken Sie die Schnittstelle, anstatt ein Material für eine ungeeignete Aufgabe zu verwenden.

Bearbeite diese Fragen der Reihe nach:

1. Ist an der Schnittstelle eine elektrische Isolierung erforderlich?
2. Unterscheidet sich der Abstand je nach Standort, Gerät oder Betriebstemperatur?
3. Kann die Baugruppe eine starre Lastübertragung aushalten?
4. Sind beide Flächen eben und parallel genug, um eine Unterlegscheibe einzufügen?
5. Können dünne Schichten mit gleichmäßiger Deckkraft aufgebracht werden?
6. Ist die Unterlegscheibe sicher gegen Verschiebung gesichert?
7. Hält die Konstruktion Temperaturwechseln, Stößen und Vibrationen stand?
8. Können die Platzierung und die Kontakte in der Fertigung geprüft werden?

Daraus ergeben sich drei praktische Konsequenzen:

• Wählen Sie ein Wärmepad aus für variable Spaltbreiten, Niederdruck-Schnittstellen, Anordnungen mit unterschiedlichen Höhen und elektrische Isolierung. Wenn der Druck eine Rolle spielt, vergleichen Sie weiche und harte Wärmepads unter Berücksichtigung des Druck-Durchbiegungsverhaltens – Sie sind damit nicht allein.
• Bewertung eines Kupferstapels für präzise, stabile Schnittstellen, bei denen Belastbarkeit und Haltekraft gezielt ausgelegt sind.
• Betrachten wir einen weiteren Ansatz zur Lückenfüllung wenn der Abstand groß oder unregelmäßig ist oder sich von Komponente zu Komponente ändert. Der Vergleich von Wärmeleitpaste und Wärmeleitpads für ungleichmäßige Spalte erläutert eine Alternative.

Was Sie Haktak für eine Materialempfehlung zusenden sollten

Eine sinnvolle Empfehlung basiert auf der technischen Zeichnung und den Betriebsbedingungen und nicht nur auf einem angestrebten Leitfähigkeitswert. Geben Sie bitte den Spaltbereich, die Wärmebelastung, die Kühlfläche, den Druckgrenzwert, die Spannungsanforderungen und das Zuverlässigkeitsprofil an. Anhand dieser Angaben kann Haktak die gesamte TIM-Produktfamilie prüfen und ein Pad, eine Paste, ein Fett oder eine kundenspezifische Lösung zur Validierung empfehlen.

Bitte geben Sie Folgendes an:

• Zeichnung, Schnittstellenbereich und Sperrzonen
• Mindest-, Nenn- und maximaler Einbauabstand
• Wärmequelle, Leistung und Solltemperatur
• Material des Kühlkörpers, der Kühlplatte oder des Gehäuses und Ebenheit
• Befestigungsmethode (Schraube, Klammer oder Halterung) und Druckbegrenzung
• Anforderungen an Spannung, Isolierung und Erdung
• Betriebstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration und angestrebte Lebensdauer
• Prototypenmenge, Produktionsvolumen und bevorzugte Verpackung

Sehen Sie sich das breitere Angebot an Wärmeleitmaterialien oder Eine Empfehlung für eine Wärmeleitpaste anfordern unter Berücksichtigung Ihrer Zeichnung und Ihrer Betriebsbedingungen.

Häufig gestellte Fragen

Diese Fragen befassen sich mit den praktischen Problemen, die Käufer, Ingenieure und Reparaturtechniker am häufigsten ansprechen. Kurz gesagt ist es ganz einfach: Kupfer ist starr und leitfähig; Kontaktflächen sind nachgiebig und können isolierend wirken. Die Dicke, der Anpressdruck und die gesamte Baugruppe entscheiden darüber, ob die jeweilige Option sicher funktioniert.

1. Ist eine Kupferunterlegscheibe besser als ein Wärmeleitpad?

Nur bei richtiger mechanischer Auslegung. Kupfer weist zwar eine deutlich höhere Volumeleitfähigkeit auf, doch eine Ausgleichsscheibe erfordert eine kontrollierte Dicke, ebene Oberflächen, einen angemessenen Anpressdruck und dünnes Grenzflächenmaterial auf beiden Seiten. Ein Wärmeleitpad ist in der Regel flexibler einsetzbar, wenn die Spaltmaße variieren, Bauteile empfindlich sind oder eine elektrische Isolierung erforderlich ist. Vergleichen Sie den Gesamtwiderstand der Grenzfläche und die Zuverlässigkeit, nicht nur die Leitfähigkeit.

2. Muss eine Kupferunterlegscheibe auf beiden Seiten mit Wärmeleitpaste bestrichen werden?

In der Regel ja. Die Paste füllt mikroskopisch kleine Unebenheiten an der Oberfläche zwischen der Wärmequelle und der Unterlegscheibe sowie zwischen der Unterlegscheibe und dem Kühler aus. Tragen Sie eine dünne, gleichmäßige Schicht auf. Die Paste soll Luft entfernen und nicht als dicker Spaltfüller dienen. Das genaue Material für die Schnittstelle und die Auftragsmenge sollten im Hinblick auf Temperatur, Druck und Lebensdauer validiert werden.

3. Wie wähle ich die richtige Dicke der Kupferunterlegscheibe aus?

Messen Sie den montierten Spalt einschließlich seiner minimalen und maximalen Toleranz. Ziehen Sie die vorgesehenen dünnen Zwischenschichten ab und vergewissern Sie sich, dass der resultierende Stapel keine übermäßigen Kräfte erzeugt. Übernehmen Sie nicht einfach die auf einem entfernten Wärmeleitpad aufgedruckte Nenndicke, da dieses Pad wahrscheinlich in einem komprimierten Zustand betrieben wurde.

4. Kann ich die Wärmeleitpads der GPU oder des VRAM durch Kupferunterlegscheiben ersetzen?

Bei einer sorgfältig durchdachten Konstruktion ist dies zwar möglich, birgt jedoch ein echtes Risiko. Eine falsche Unterlegscheibe kann den Kühler vom GPU-Chip abheben, die Leiterplatte verbiegen, Druck auf die Speicherbausteine ausüben oder einen Kurzschluss verursachen. Auch die Höhe der VRAM-Bausteine kann variieren. Überprüfen Sie das gesamte Kontaktmuster des Kühlers sowie die Temperaturen aller Komponenten, bevor Sie die Modifikation als erfolgreich bezeichnen.

5. Kann eine Kupferunterlegscheibe einen GPU-Chip beschädigen oder eine Leiterplatte verbiegen?

Ja. Kupfer leitet die Belastung direkt weiter, da es sich nicht wie ein Polster zusammenpresst. Eine zu große Unterlegscheibe oder ein unebener Kühlkörper kann zu einer Druckstelle über einem Chip führen. Freiliegende Chips sind besonders empfindlich. Legen Sie zunächst den Spalt und den Druckbereich fest und überprüfen Sie dann während der Validierung die Verformung der Leiterplatte, die Parallelität des Kühlkörpers und den Kontakt.

6. Sind Kupferunterlegscheiben elektrisch leitfähig?

Ja. Eine Kupferunterlegscheibe kann freiliegende Kontakte, nahegelegene passive Bauteile oder Leiterplattenelemente kurzschließen, wenn sie falsch platziert ist oder sich verschiebt. Halten Sie den Randabstand ein und sorgen Sie für eine sichere Befestigung. Wenn eine Isolierung hinzugefügt wird, beziehen Sie diese Folie oder Beschichtung in die thermischen und dielektrischen Prüfungen mit ein, da sie sowohl den Widerstand als auch die Schichtdicke verändert.

7. Kann ich auf beiden Seiten einer Kupferunterlegscheibe Wärmeleitpaste auftragen?

Nur als Teil eines speziell konzipierten Aufbaus mit großem Spalt. Dünne, nachgiebige Schichten können dazu beitragen, dass ein Metall-Wärmeverteiler auch unebene Oberflächen berührt, doch zwei dicke Pads in Kombination mit einer losen Unterlegscheibe führen zu zusätzlichen Grenzflächen und einer ungewissen Anpresskraft. Ein einzelnes geeignetes Pad, Wärmeleitpaste oder ein neu gestalteter Wärmeverteiler könnten eine bessere Reproduzierbarkeit gewährleisten.

8. Können Wärmeleitpads übereinandergestapelt werden, anstatt ein dickeres Pad zu verwenden?

Das Stapeln ist im Allgemeinen weniger vorhersehbar als die Verwendung eines einzigen Pads in der richtigen Größe. Die Schichtgrenze führt zu einem zusätzlichen Kontaktwiderstand, und die Pads können sich verschieben oder ungleichmäßig zusammendrücken. Bei einem Prototypen kann dies im Notfall Aufschluss darüber geben, ob eine stärkere Spaltfüllung erforderlich ist; in der Serienfertigung sollte jedoch eine validierte Einzellage oder eine andere speziell entwickelte Schnittstelle verwendet werden.

9. Was hält länger: eine Kupferunterlegscheibe oder ein Wärmeleitpad?

Der Kupferkörper selbst kann zwar über einen langen Zeitraum hinweg stabil bleiben, doch die gesamte Shim-Baugruppe umfasst zudem Paste, Beschichtungen, Befestigungselemente und andere Materialien, die der Alterung unterliegen können. Die Lebensdauer eines Pads hängt von der Zusammensetzung, der Druckverformungsrest, der Temperatur und den Zyklen ab. Ohne eine genau definierte Umgebung und ein festgelegtes Testprofil bietet keine der beiden Optionen einen allgemeinen Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer.

10. Wie sollte ich eine Kupferunterlegscheibe oder ein Wärmeleitpad vor der Produktion prüfen?

Überprüfen Sie zunächst den Kontakt und den Anpressdruck und messen Sie anschließend alle relevanten Bauteil-Temperaturen unter realistischen Leistungs- und Umgebungsbedingungen. Führen Sie zusätzlich elektrische Prüfungen durch, wenn die Isolierung eine Rolle spielt. Wiederholen Sie die thermischen Messungen nach Zyklus-, Schwingungs- oder Alterungstests und führen Sie anschließend eine Demontage durch. Achten Sie dabei auf Bewegungen, Auspumpen, Risse, Leckagen, dauerhafte Verformung und Veränderungen des Kontaktabdrucks.