Unter dem „Herauspumpen“ von Wärmeleitpaste versteht man die allmähliche Verlagerung der Paste aus dem aktiven Kontaktbereich zwischen einem heißen Bauteil und dessen Kühlkörper. Dies wird in der Regel durch wiederholte Ausdehnung, Kontraktion, Verformung, Vibration oder Änderungen des Anpressdrucks verursacht. Diese Bewegungen erzeugen Scherkräfte in dem dünnen Wärmeleitmaterial (TIM). Die Zusammensetzung der Paste und die Dicke der Haftschicht entscheiden darüber, ob das Material an Ort und Stelle bleibt, zum Rand hin kriecht oder Hohlräume bildet.
Die Folge können eine höhere thermische Impedanz, ein sich vergrößernder Hotspot, Lüftergeräusche, Drosselung, Verschmutzung und eine verkürzte Lebensdauer der Bauteile sein. Es gibt keine Lösung in einem Schritt. Eine dauerhafte Lösung kann das Schmierfett, Ablagerungen, das Befestigungssystem, die Passflächen, das Wärmeprofil oder eine andere Art von Wärmeleitpaste betreffen. Mehr Druck oder eine dickflüssigere Paste können bei manchen Konstruktionen helfen, aber beides kann die Situation auch verschlimmern. Die gesamte Baugruppe muss berücksichtigt werden.
Was versteht man unter dem Abpumpen von Wärmeleitpaste?
Eine Grease-Schnittstelle sieht einfach aus: Wärmequelle → dünne Wärmeleitpaste-Schicht → Kühlkörper oder Kühlplatte. In der Praxis bleiben diese Teile jedoch nicht vollkommen unbeweglich. Gehäuse, Grundplatten, Kühlplatten, Kühlkörper und Leiterplatten dehnen sich in unterschiedlichem Maße aus. Selbst kleinste Bewegungen spielen bei einer sehr dünnen Schmierschicht eine Rolle.
Bei jedem Zyklus wird die Schnittstelle zusammengedrückt oder geschert. Schmierfett kann aus dem heißesten Bereich verfließen, sich am Rand ansammeln und in der Mitte eine dünne Schicht oder gar keine Schicht hinterlassen. Kleine Hohlräume können sich verbinden, sodass die Kühlung am ersten Tag hervorragend sein kann, nach vielen Zyklen jedoch schlechter wird.
Stellen Sie sich ein Sandwich vor, das immer wieder gebogen wird. Die Füllung wandert langsam in Richtung Kruste, obwohl niemand sie absichtlich entfernt hat. Das kommt dem grundlegenden „Pump-out“-Effekt nahe. Es handelt sich um eine fortschreitende Bewegung und nicht einfach darum, dass während der Montage zu viel Paste herausquillt.
„Pump-Out“ im Vergleich zu „Dry-Out“, „Squeeze-Out“ und unzureichender anfänglicher Abdeckung
Diese Fehlerarten werden oft in einen Topf geworfen, da sie ein ähnliches Demontagemuster hinterlassen können. Es handelt sich jedoch nicht um dasselbe Problem.
| Fehlermodus | Wenn es passiert | Typisches Muster | Hauptgrund |
| Abpumpen | Über mehrere Betriebszyklen hinweg | Dünne oder kahle Mitte mit Verdickung am Rand | CTE-Diskrepanz, Verformung, zyklische Scherbeanspruchung |
| Austrocknen | Im Laufe der Zeit unter Hitzeeinwirkung | Harte, rissige oder spachtelstoffreiche Rückstände | Trägerverlust, Ölaustritt, Oxidation, Entmischung |
| Ausschluss | Bei der Erstmontage | Sofortiger Überlauf des Begrenzungsbereichs | Zu viel Einfüllmenge, zu hohe Klemmkraft oder sehr niedrige Viskosität |
| Unzureichende anfängliche Berichterstattung | Ab der ersten Inbetriebnahme | Lokales Trockengebiet ohne Migrationsgeschichte | Abscheidungsmuster, Ebenheit oder Montagefehler |
Es können mehrere Ursachen gleichzeitig vorliegen. Fett kann zunächst auslaufen und später an der freiliegenden Kante austrocknen. Auch eine mangelhafte Montage kann das Auslaufen begünstigen. Aus diesem Grund lässt sich die eigentliche Ursache nicht anhand eines einzigen Fotos feststellen. Der Temperaturverlauf, die Geometrie der Baugruppe und der Zustand der Werkstoffe spielen allesamt eine Rolle. Für allgemeine Wartungsempfehlungen gilt der Leitfaden zu Wie lange kann Wärmeleitpaste verwendet werden? hilft dabei, normale Alterungserscheinungen von einem durch Bewegung verursachten Versagen zu unterscheiden.
Wie CTE-Unterschiede und Verformungen dazu führen, dass Schmierfett austritt
Verschiedene Materialien dehnen sich unterschiedlich stark aus
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) beschreibt die Maßänderung in Abhängigkeit von der Temperatur. Silizium, Kupfer, Aluminium, Keramik, organische Gehäuse und FR-4-Leiterplatten weisen unterschiedliche CTE-Werte und -Einschränkungen auf.
Wenn sich eine Baugruppe erwärmt, versuchen ihre Platine und ihr Gehäuse, sich in unterschiedlichem Maße auszudehnen. Da Befestigungselemente eine freie Bewegung verhindern, entstehen am Wärmeleitmaterial (TIM) Spannungen, Verformungen oder mikroskopisch kleine Gleitbewegungen. Beim Abkühlen kehrt sich die Richtung um. Das Schmierfett ist daher nicht nur der Wärme, sondern auch einer mechanischen Belastung ausgesetzt.
Die Temperatur allein reicht daher als Erklärung nicht aus. Eine stabile, heiße Grenzfläche schneidet möglicherweise besser ab als eine, die alle paar Minuten einen großen Temperaturbereich durchläuft. Schwingungsamplitude, Aufheizgeschwindigkeit, Geometrie und Festlegung beeinflussen die Bewegung.
Verformung der Grundplatte und der Kühlplatte
Anhand großer IGBT- oder SiC-Module lässt sich dieser Effekt leicht veranschaulichen. Ungleichmäßige Wärmeverteilung kann zu einer Verformung der Grundplatte führen, während die Kühlplatte ihre eigene Neigung und Steifigkeit aufweist. Der Spalt zwischen beiden kann sich an einer Stelle vergrößern, während er sich an einer anderen Stelle verringert.
Dieser sich verändernde Spalt wirkt wie eine flache Pumpe. Durch die Kompression wird Fett nach außen gedrückt, während bei der Entspannung schwache Bereiche unterfüllt bleiben können. Große Kontaktflächen verstärken kleine Ebenheitsfehler, sodass sich ein Modul, das auf dem Prüfstand eben erscheint, unter Volllast möglicherweise anders verhält.
Zyklische Scherbeanspruchung in einer dünnen Klebefuge
Das Schmierfett muss die Oberflächenunebenheiten benetzen und dabei über den gesamten Wirkbereich hinweg einen durchgehenden Film bilden. Durch relative seitliche Bewegungen wird diese dünne Schicht hin und her verschoben. Wenn das Material leicht nachgibt und seine Struktur nicht wiederherstellt, kommt es zu Kriechen. Wenn es der Bewegung zu stark Widerstand leistet, können sich die Spannungen stattdessen in die Verpackung, die Verbindung oder das ausgehärtete TIM verlagern.
Das Material muss ausreichend beweglich sein, um mikroskopische Unebenheiten während der Montage auszugleichen, aber gleichzeitig ausreichend stabil, um wiederholten Scherkräften standzuhalten. Ein praktisches Analyse des Auslaufs von Wärmeleitpaste bei CPUs und GPUs veranschaulicht diese Wechselwirkung gut, auch wenn der darin verwendete Schätzansatz kein allgemeingültiger Qualifikationsstandard ist.
Vibrationen und Durchbiegung des Boards
Thermische Bewegungen sind nicht der einzige Auslöser. Fahrzeugvibrationen, Vibrationen der Serverlüfter, Stöße beim Transport, Verformungen des Laptop-Gehäuses und Verbiegungen der Leiterplatte können den Kontakt beeinträchtigen. Gemeinsame Kühlbaugruppen sind besonders empfindlich. Das Anziehen einer Federschraube kann eine andere Ecke leicht anheben. Ein in der Nähe befindliches Wärmeleitpad ist möglicherweise zu dick und bringt den Kühler aus der Balance. Winzige Veränderungen können zu einem sich wiederholenden Scherzyklus führen.
Die Auswahl des TIM sollte sich nach dem tatsächlichen Schwingungs- und Bewegungsprofil richten, insbesondere bei Fahrzeugen, mobilen Produkten und Industrieanlagen.
Material Eigenschaften, die den Auspumpwiderstand beeinflussen
Warum die Viskosität allein nicht ausreicht
Die Viskosität lässt sich leicht angeben und steht daher oft im Vordergrund. Doch ein Viskositätswert bei Raumtemperatur sagt wenig darüber aus, wie sich das Schmierfett bei 100 °C nach 2.000 Zyklen verhält. Prüfverfahren, Schergeschwindigkeit, Temperatur und Materialgeschichte können das Ergebnis beeinflussen.
Ein dickflüssiges Fett kann sich im erhitzten Zustand dennoch ausbreiten. Zwei Produkte mit ähnlicher Viskosität können sehr unterschiedliche Fließgrenzen, Ölabscheidung, Haftfähigkeit und Rückstellvermögen aufweisen. Die Viskosität spielt zwar eine Rolle, ist aber nur ein Aspekt.
Fließgrenze, Thixotropie und Viskoelastizität
Fließgrenze ist die Kraft, die erforderlich ist, bevor ein Material zu fließen beginnt. Eine höhere Streckgrenze kann dazu beitragen, dass das Schmierfett kleinen mechanischen Beanspruchungen standhält, doch eine zu hohe Streckgrenze kann das Verteilen erschweren und die Dicke der Haftschicht erhöhen.
Thixotropie Das bedeutet, dass das Material unter Scherbeanspruchung leichter fließt und im Ruhezustand seine Struktur wiederherstellt. Dies erleichtert die Dosierung und kann die Stabilität nach der Montage verbessern. Am wichtigsten ist die Rückstellung bei Betriebstemperatur.
Viskoelastizität ist die Kombination aus flüssigkeitsähnlichem Fließverhalten und feststoffähnlicher Rückstellung. Diese Eigenschaften ändern sich in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur, daher sollten die Testdaten den vorgesehenen Betriebszyklus widerspiegeln.
Befüllung mit Füllstoff, Stabilität des Trägers und Ölaustritt
Wärmeleitpaste besteht in der Regel aus einem leitfähigen Füllstoff, der in einem Trägermedium dispergiert ist. Partikeltyp, -größe, -form, -behandlung und -beladung beeinflussen die Leitfähigkeit und die Fließfähigkeit. Ein dichtes Füllstoffnetzwerk kann zwar der Bewegung entgegenwirken, jedoch die Dosierung oder Benetzung beeinträchtigen. Wenn das Trägeröl auslaugt, wird der Rückstand zäh und füllstoffreich, sodass Migration und Austrocknung gleichzeitig auftreten können. Überprüfen Sie das Verhalten bei Lagerung, Dosierung und Temperaturbelastung.
Aushärtende und nicht aushärtende Verbindungen bergen unterschiedliche Risiken
Ein Aushärtungsmaterial schränkt nach dem Aushärten die Fließfähigkeit ein, was ideal klingt. Der Nachteil ist eine geringere Dehnungsfähigkeit. Eine veröffentlichte Studie zur Visualisierung von Temperaturzyklen mittels Ultraschallbildgebung Es wurden Hohlraumbildung in einem nicht aushärtenden Schmierfett und Rissbildung in einem aushärtenden Schmierfett unter den spezifischen Bedingungen wiederholter Druckbelastung beobachtet. Damit werden nicht alle aushärtenden und nicht aushärtenden Formulierungen bewertet. Es wird vielmehr gezeigt, warum eine Änderung des Versagensmodus nicht gleichbedeutend mit dessen Beseitigung ist.
Ein hoher W/mK-Wert sagt nichts über die Lebensdauer der Pumpe aus
Die Volumenwärmeleitfähigkeit beschreibt den Wärmefluss durch ein Material unter definierten Bedingungen. Sie gibt einem Ingenieur jedoch keinen Aufschluss darüber, ob das Schmierfett auch unter Verformung und Scherbeanspruchung seine Deckkraft beibehält. Ein Produkt mit hohem W/mK-Wert kann eine schlechte Leistung erbringen, wenn seine Haftschicht dick wird, Hohlräume bildet oder den heißen Bereich verlässt.
Bei der Auswahl sollten die anfängliche thermische Impedanz und deren Veränderung nach der Alterung berücksichtigt werden. Der Leitfaden von HAKTAK zu Auswahl und Prüfung der Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpaste erklärt, warum die Leitfähigkeit allein noch nicht das endgültige Ergebnis der Grenzfläche darstellt.
Klebstoffschichtdicke, Anpressdruck und Oberflächenebenheit
Warum die Dicke der Fugenmasse den Wärmefluss und die Bewegung beeinflusst
Für eine ideale, gleichmäßige Schicht lässt sich der thermische Widerstand des Volumens näherungsweise wie folgt berechnen:
Rbulk = BLT / (k × A)
Hier, BLT ist die Dicke der Klebefuge, k ist die Wärmeleitfähigkeit, und A ist die Kontaktfläche. Bei realen Schnittstellen spielen zudem Kontaktwiderstand, Rauheit, Hohlräume und ungleichmäßiger Druck eine Rolle. Eine dicke Klebefuge enthält mehr bewegliches Material; eine extrem dünne kann auf verzogenen Oberflächen ihre Kontinuität verlieren. Streben Sie die dünnste vollständige Klebefuge an, die die Toleranzsumme zuverlässig zulässt.
Verhindert ein höherer Anpressdruck das Auspumpen?
Ausreichender Druck verbessert die Benetzung, gleicht übermäßige Dicke aus und stellt den Kontakt her. Eine stabile Federkraft kann zudem Schwankungen im Spalt verringern. Jenseits dieses Punktes bringt mehr Kraft keine Leistungssteigerung. Übermäßiger Druck kann frische Paste herausdrücken, eine Leiterplatte verbiegen, eine Grundplatte verformen, einen ungeschützten Chip beschädigen oder Pads an anderen Stellen eines gemeinsamen Kühlkörpers beeinträchtigen.
Uneinheitliche Kraft ist oft schädlicher als mäßige Kraft. Halten Sie sich an die Angaben des Herstellers für das Gerät und den Kühler. Verwenden Sie eine kontrollierte Drehmomentsequenz, die richtigen Befestigungselemente oder Federn und, soweit möglich, eine dosierte Druckausübung. Eine ordnungsgemäße Arbeitsablauf zum Auftragen von Wärmeleitpaste trägt dazu bei, dass das Aufbringen und die Montage wiederholbar sind, kann jedoch eine mangelhafte Ebenheit oder instabile Befestigungselemente nicht ausgleichen.
Ebenheit und Parallelität stehen an erster Stelle
Überprüfen Sie den Wärmeverteiler, den Chip, die Modulgrundplatte, die Kühlkörperbasis und die Kühlplatte über den gesamten relevanten Temperaturbereich hinweg. Bei einer Ebenheitsprüfung bei Raumtemperatur kann eine durch Stromversorgung verursachte Verformung übersehen werden. Stellen Sie sicher, dass die Halterungen den Kühler nicht kippen und dass benachbarte Abstandshalter ihn nicht vom Hauptgerät weghalten.
Bei gemeinsam genutzten Baugruppen ist der Abdruck an jedem Kontaktpunkt zu überprüfen. Fett kann einen Spalt im Millimeterbereich nicht überbrücken und gleichzeitig eine dünne Grenzschicht aufrechterhalten. Das ist ein geometrisches Problem.
Risiken beim Abpumpen von Wärmeleitpaste
Ein „Pump-out“ führt nicht zwangsläufig zu einem plötzlichen Ausfall. Oftmals verursacht er eine allmähliche, ungleichmäßige Verschlechterung. Dies lässt sich möglicherweise schwerer erkennen, da die Durchschnittstemperaturen zwar akzeptabel erscheinen, ein bestimmter lokaler Bereich jedoch deutlich heißer ist.
| Risiko | Was ändert sich? | Mögliche Auswirkungen auf das System |
| Nullwachstum | Die tatsächliche Kontaktfläche nimmt ab | Höhere thermische Impedanz |
| Zentrumsmangel | „Hot Region“ verliert TIM-Abdeckung | Lokaler Hotspot und größeres Temperaturgefälle |
| Thermische Drift | Der Schnittstellenwiderstand steigt im Laufe der Zyklen an | Lüftergeräusche, Leistungsdrosselung oder verminderte Leistung |
| Kantenverschiebung | Das Fett läuft aus dem vorgesehenen Bereich heraus | Verschmutzung oder elektrisches Problem |
| Wiederholte Überhitzung | Die Sperrschichttemperatur steigt | Schnellere Alterung an anderen Stellen im System |
| Einheitenabweichung | Die Pumpen fördern mit unterschiedlichen Durchflussraten | Unvorhersehbarer Ertrag und Lebensdauer auf dem Feld |
Das elektrische Risiko hängt von der jeweiligen Verbindung ab. Orientieren Sie sich an den elektrischen Daten und den Sicherheitsabständen, anstatt davon auszugehen, dass jede graue Paste unbedenklich ist.
So erkennen Sie, ob die Wärmeleitpaste ausgepumpt wurde
Achte auf einen Trend, nicht auf eine einzelne vielversprechende Vorhersage
Ein klassisches Muster ist eine gute Leistung unmittelbar nach einer korrekten Neuverkleisterung, gefolgt von einem allmählichen Temperaturanstieg bei gleicher Auslastung. Bei einer GPU kann sich die Differenz zwischen Kerntemperatur und Hotspot-Temperatur vergrößern. Eine CPU benötigt möglicherweise eine höhere Lüfterdrehzahl oder beginnt bei einer Leistungsstufe, die sie zuvor noch problemlos bewältigen konnte, mit der Drosselung. Bei einem Leistungsmodul kann sich die thermische Impedanz zwischen Gehäuse und Kühlkörper erhöhen.
Überprüfen Sie die Umgebungstemperatur, die Stromversorgung, die Drehzahl des Lüfters oder der Pumpe sowie die Kühlmitteltemperatur, bevor Sie die Ergebnisse vergleichen. Staub, ein verschlissener Lüfter, eine defekte Pumpe, eine lockere Befestigung oder eine geänderte Leistungsbegrenzung können ein TIM-Problem vortäuschen.
Prüfen Sie das Demontagemuster sorgfältig
Zu den hilfreichen Anhaltspunkten zählen eine freiliegende oder ungewöhnlich dünne Mitte, ein dicker Randwulst, gerichtete Streifen, Rillen, Hohlräume oder Risse. Vergleichen Sie das Muster mit der Position der Wärmequelle. Achten Sie außerdem auf einseitigen Kontakt, unberührte Bereiche, Spuren von Befestigungselementen und Anzeichen dafür, dass ein Pad oder eine Halterung den Kühler gekippt hat.
Ein gewisser Überstand am Rand ist normal. Die entscheidende Frage ist, ob während des Betriebs Material aus dem aktiven Bereich ausgetreten ist.
| Symptom | Möglicher Hinweis auf eine Entleerung | Konkurrierende Ursache | Nächster Schritt |
| Die Temperatur steigt über mehrere Wochen hinweg an | Kantenbildung nach einer guten anfänglichen Montage | Staub oder Verschleiß des Lüfters | Reinigen und einen kontrollierten Test wiederholen |
| Plötzlicher Temperaturanstieg | Eine Bewegung des Kühlers hat die Grenzfläche gestört | Pumpenausfall oder lockeres Befestigungselement | Überprüfen Sie zunächst die Kühlkomponenten |
| Große Abweichung beim GPU-Hotspot | Mangel in der Mitte oder an den Ecken | Ebenheit der Kühlplatte oder Sensorabweichung | Vergleiche Grundfläche, Leistung und Befestigung |
| Der Fehler tritt nach dem erneuten Einfügen wieder auf | TIM und Baugruppe sind nicht gut aufeinander abgestimmt | Falsche Bremsbelagstärke oder falsche Belastung der Halterung | Den gesamten Aufbau durchgehen |
Wo das Abpumpen echte Probleme verursacht
Desktop-CPUs
Ein integrierter Wärmeverteiler bietet zwar eine stabile Befestigungsfläche, doch ungleichmäßige Bauteile und wiederholte Ein- und Ausschaltzyklen können dennoch zu einer Verschiebung führen. Eine stabile Befestigung und ein kontrollierter Auftrag sind wichtiger als das Auftragen einer riesigen Menge hochwertiger Wärmeleitpaste.
GPUs und Direct-Die-Laptops
Durch die direkte Chipkühlung, Federschrauben, flexible Leiterplatten und umgebende Pads wird der Kontakt empfindlich. Zu dicke Speicher- oder VRM-Pads können den Anpressdruck auf den Chip verringern. Durch wiederholte Ein- und Ausschaltzyklen wird die Wärmeleitpaste dann nach außen gedrückt. “Nach dem Erneuern der Paste läuft alles super, aber nach einem Monat wieder schlecht” ist ein Hinweis, kein Beweis.
KI-Server und Beschleuniger
KI-Beschleuniger laufen mit hoher Dauerleistung, häufig unter Kühlplatten. Start-Stopp-Vorgänge, Lastwechsel, Wartungsarbeiten und Kühlmittelwechsel führen dennoch zu Zyklen. Auf Flottenebene bedeuten selbst geringe Schnittstellenabweichungen zusätzlichen Kühlenergieaufwand oder zusätzlichen Wartungsaufwand. Ein konstantes Drehmoment, rückverfolgbare Materialien, Telemetrie und eine Qualifizierung auf Chargenebene sind entscheidend.
Leistungselektronik, Elektrofahrzeuge und Industrieanlagen
IGBT-, SiC- und GaN-Baugruppen vereinen einen hohen Wärmefluss mit komplexen Materialschichten. Bei Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge kommen zudem weite Umgebungsbedingungen, Vibrationen und Schwankungen beim Kühlmittel hinzu. Die Wartung von industriellen Antrieben, Wechselrichtern für erneuerbare Energien, Telekommunikationsgeräten und LEDs kann kostspielig sein. Hier ist die Beständigkeit gegen Auspumpen eine Voraussetzung für die Zuverlässigkeit.
So verhindern Sie das Abpumpen von Wärmeleitpaste
Beginnen Sie auf der Materialebene
Fragen Sie die Lieferanten nach Daten zu Auspumpverhalten, Entlüftung, Rheologie und Alterung bei den relevanten Temperaturen. Prüfen Sie den Betriebsbereich, das Fließverhalten, die Ölabscheidung, die elektrischen Eigenschaften, die Dosierbarkeit und die Oberflächenverträglichkeit. Ein auspumpbeständiges Schmierfett ist oft die einfachste Option für eine dünne, funktionsfähige Schnittstelle, muss jedoch dennoch unter den vorgesehenen Spaltmaßen, Drücken, Bewegungen und Temperaturen im Montagezustand getestet werden.
Die Benutzeroberfläche steuern
Verwenden Sie saubere, kompatible Oberflächen und achten Sie auf eine kontrollierte Auftragsmenge. Legen Sie die minimale, nominale und maximale Dicke der Klebefuge fest. Dokumentieren Sie die Materialcharge, das Auftragsverfahren und die Befestigungsergebnisse. Überprüfen Sie die Druckverteilung und die Abdeckung nach der Montage. Nachbesserungen sollten im Rahmen des Produktionsprozesses erfolgen, da ein nachlässiger manueller Auftrag ein mangelhaftes Design verschleiern kann.
Mechanisches Uhrwerk reparieren
Verbessern Sie die Ebenheit und Parallelität. Reduzieren Sie Verformungen, erhalten Sie die Federkraft auch bei Ausdehnung aufrecht, stützen Sie flexible Platinen ab, kontrollieren Sie die Drehmomentverteilung und prüfen Sie, ob Schläuche oder Fahrwerksteile am Kühler ziehen. Oft wird das sichtbare Fett als Ursache angesehen, obwohl die eigentliche Ursache eine verzogene Platte oder ein zu dickes benachbartes Polster ist.
Systembelastung reduzieren
Reduzieren Sie unnötige Temperaturschwankungen und Leistungsüberschreitungen. Stabilisieren Sie den Kühlmittelfluss und vermeiden Sie Regelungsmaßnahmen, die das Gerät wiederholt von sehr heiß auf sehr kalt umschalten. Überwachen Sie die Hot-Spot-Differenz und die thermische Drift. Eine zustandsorientierte Wartung ist sinnvoller als ein allgemeiner Austauschplan.
Wenn ein anderes TIM besser ist als Fett
Wiederholtes Abpumpen kann darauf hindeuten, dass für die Schnittstelle ein anderes Format erforderlich ist. Das Ziel besteht nicht darin, das Schmierfett um jeden Preis zu ersetzen, sondern ein Material auszuwählen, dessen mechanisches Verhalten auf den Spalt und die Bewegung abgestimmt ist.
| TIM-Option | Vorteile der Entleerung | Wichtigster Kompromiss |
| Auspumpbeständiges Fett | Dünne Klebefuge und einfache Nachbearbeitung | Muss noch einer zyklischen Validierung unterzogen werden |
| Phasenwechselmaterial | Zuverlässige Handhabung durch wärmeaktivierte Benetzung | Erfordert eine geeignete Aktivierungstemperatur und einen geeigneten Druck |
| Aushärtungsgel oder -masse | Geringere Fließfähigkeit nach dem Aushärten | Stress beseitigen, Rissgefahr verringern, aufwendigere Nachbearbeitung vermeiden |
| Graphit-Schnittstelle | Es kann kein flüssiger Träger auswandern | Elektrische Leitfähigkeit und Grenzwerte für die Konformität |
| Wärmeleitpad | Stabile, vorgeformte Geometrie | Größere Schnittfläche und höhere Presskraft |
| Kitt oder Fugenfüller | Geeignet für ungleichmäßige oder variable Abstände | Größere Dicke und strengere Prozesskontrolle |
Phasenwechselmaterialien
Ein PCM ist bei Raumtemperatur fest und wird in der Nähe seiner Aktivierungstemperatur weich. Es kann Oberflächen während des Einbrennens benetzen und möglicherweise die Stabilität in einer dünnen Fuge verbessern. Aktivierungstemperatur, Druck, Dicke und Zyklen müssen noch überprüft werden. Der Überblick über Wärmeleitpads mit Phasenwechsel erläutert, wo dieses Format zum Einsatz kommt.
Aushärtungsgel, Graphit, Polster und Spaltfüllmaterialien
Eine leicht aushärtende Masse verringert die Fließfähigkeit, kann jedoch Risse bilden. Graphit verhindert die Migration von Trägerstoffen, kann jedoch elektrisch leitfähig sein und sich weniger gut an Konturen anpassen. Pads bieten eine stabile Geometrie, erhöhen jedoch die Dicke und die Druckkraft.
Für einen echten Spalt ist Fett in der Regel das falsche Mittel. Der Vergleich von Wärmekitt im Vergleich zu Wärmeleitpaste erklärt, warum Kitt für unregelmäßige Bauteilhöhen geeignet ist. Größere oder komplexe Hohlräume erfordern möglicherweise wärmeleitende Flüssigkeiten zum Ausfüllen von Spalten die vor Ort erfolgen. Eine umfassendere Überprüfung von Alternativen zu Wärmeleitpaste kann dabei helfen, vor dem Testen eine Vorauswahl aus Bremsbelägen, PCM, Graphit, Kitt oder flüssigen Materialien zu treffen.
So testen Sie das Auspumpen von Wärmeleitpaste
Kein allgemeingültiger Pump-Out-Test lässt sich auf alle Anwendungsfälle anwenden. Ein sinnvoller Plan kombiniert thermische Messungen, realistische Bewegungsabläufe und eine physikalische Inspektion.
Festlegung einer Ausgangsbasis
Erfassen Sie Materialcharge, Beschichtung, Bondleitung, Oberflächenbeschaffenheit, Klemmkraft, Leistung, Umgebungs- oder Kühlmittelbedingungen sowie das thermische Ergebnis. Verwenden Sie ausreichend viele Proben, um Abweichungen in der Baugruppe aufzudecken. Messen Sie die anfängliche thermische Impedanz oder einen wiederholbaren Temperaturwert des Bauteils nach jedem Einbrennvorgang und bewahren Sie die Kontrollwerte auf.
Wenden Sie Temperaturwechselprüfungen und Stromzyklustests für verschiedene Fragestellungen an
Die Normen IEC 60068-2-14 und JEDEC JESD22-A104 bieten nützliche Rahmenbedingungen für Temperaturwechsel- oder Temperaturzyklusprüfungen. Sie schreiben jedoch kein einheitliches Profil für das Abpumpen von Schmierfett vor. Wählen Sie Temperaturen, Anstiegsraten, Verweilzeiten und die Anzahl der Zyklen entsprechend der Einsatzumgebung des Produkts aus.
Der Temperaturwechsel im Klimakammerbetrieb verändert die Temperatur der gesamten Baugruppe. Durch den Temperaturwechsel wird das Bauteil von innen erwärmt, wodurch lokale Temperaturgradienten und Verformungen reproduziert werden können. Viele Produkte erfordern beides. Vibrationen oder Biegebelastungen sollten nur dann hinzugefügt werden, wenn sie den Betriebsbedingungen entsprechen.
Die Bewegung beschleunigen, ohne die Relevanz für den Bereich zu verlieren
Eine mechanische Vorrichtung kann eine kontrollierte Verschiebung oder Druckänderung bewirken. Auf diese Weise lassen sich Formulierungen schnell vergleichen und Bewegungsvorgänge von der chemischen Alterung unterscheiden. Die Korrelation ist dabei der schwierige Teil. Stellen Sie sicher, dass die Abbruchsmuster, die Impedanzdrift und die Migration den Ergebnissen aus dem Feldbetrieb oder aus Leistungszyklen entsprechen.
Messung vor und nach der Alterung
ASTM D5470-17(2024) beschreibt die Messung der Wärmeübertragungseigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien. Es ermöglicht kontrollierte Vergleiche der thermischen Impedanz vor und nach der Alterung. Es definiert kein Pump-out-Zyklusprofil und garantiert keine Leistung in einer bestimmten CPU, GPU oder einem bestimmten Leistungsmodul.
Kombinieren Sie thermische Messergebnisse mit Bildaufnahmen oder einer Demontage. Mit Ultraschall lassen sich innere Hohlräume aufdecken, während sich mit der Wärmebildtechnik heiße Bereiche lokalisieren lassen. Mikroskopie, Abdeckungsanalysen und Fotos dokumentieren die Migration nach der Demontage.
Festlegen der Kriterien für „Bestanden“ und „Nicht bestanden“ vor Beginn der Prüfung
Zu den nützlichen Kriterien können gehören:
- maximale Änderung der thermischen Impedanz;
- maximale Gerätetemperatur oder Hot-Spot-Anstieg bei geregelter Leistung;
- Mindestabdeckung in der kritischen Region;
- kein unzulässiges Hohlraumwachstum;
- kein Eindringen von Fett in einen elektrischen Schutzbereich;
- keine Risse, Ablösungen oder Beschädigungen an den Beschlägen;
- Wiederholbare Ergebnisse über verschiedene Chargen und Montagearbeiter hinweg.
Legen Sie Grenzwerte auf der Grundlage der erforderlichen Systemreserven und Zuverlässigkeitsanforderungen fest. “Sieht gut aus” ist kein technisches Abnahmekriterium.
Praktische Checkliste zur Ermittlung der Ursachen bei der Entleerung
- Waren die Temperaturen anfangs niedrig und stiegen sie nach wiederholten Betriebszyklen an?
- Ist die Mitte dünn oder kahl, während sich am Rand Material angesammelt hat?
- Sind das Gehäuse, der Kühlkörper, die Grundplatte und die Kühlplatte im Betrieb eben und parallel zueinander?
- Ist die Klemmkraft stabil, gleichmäßig und liegt sie innerhalb der Spezifikation des Bauteils?
- Wird die Dicke der Klebstoffraupe bei minimalem, nominalem und maximalem Spalt kontrolliert?
- Liegen für das Schmierfett relevante Daten zu Abpumpen, Entlüften und Zyklustests vor?
- Sind Vibrationen, Durchbiegung des Boards, Belastung des Schlauchs oder Verformung der Grundplatte festzustellen?
- Lassen sich die Höchsttemperatur oder die Temperaturschwankungen verringern?
- Was würde besser zur Schnittstelle passen: PCM, Gel, Graphit, ein Polierpad, Kitt oder Spaltfüller?
- Hat die gesamte Baugruppe einen realistischen Zyklusversuch mit festgelegten Grenzwerten bestanden?
Schlussfolgerung
Das Auslaufen von Wärmeleitpaste ist ein Problem der mechanischen Zuverlässigkeit auf Systemebene. Dabei spielen der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), Verformungen, zyklische Scherbeanspruchung, die Dicke der Klebefuge, die Klemmkraft, die Oberflächengeometrie und die Rheologie der Paste eine Rolle. Aus diesem Grund kann ein wiederholtes Auftragen der Paste die Temperaturen zwar vorübergehend wieder normalisieren, ohne jedoch die Ursache zu beheben.
Beginnen Sie mit den Fakten. Bestätigen Sie den Leistungstrend, kontrollieren Sie die Testbedingungen, überprüfen Sie das Kontaktmuster und schließen Sie den Rest des Kühlsystems als Ursache aus. Arbeiten Sie dann von der Schnittstelle aus weiter: Wählen Sie ein geeignetes Material aus, kontrollieren Sie die Beschichtung und die Klebefuge, stabilisieren Sie die Halterung, reduzieren Sie Bewegungen und regulieren Sie Temperaturschwankungen, soweit dies praktikabel ist.
Die beste Lösung ist nicht immer dickflüssigeres Fett, eine höhere Montagekraft oder ein trendiges PCM. Es ist die Kombination, die den Kontakt in der tatsächlichen Baugruppe aufrechterhält. Überprüfen Sie diese Kombination unter repräsentativen thermischen und mechanischen Zyklen und bewerten Sie sie anhand der thermischen Drift sowie des physikalischen Zustands. So wird aus einer schnellen thermischen Lösung ein langlebiges Design.
Häufig gestellte Fragen
Was versteht man unter dem Abpumpen von Wärmeleitpaste?
Das Herausdrücken von Wärmeleitpaste erfolgt durch allmähliche Verdrängung aus dem aktiven Kontaktbereich. Wiederholte Verformungen, Vibrationen und Druckänderungen verschieben die Klebefuge, was häufig zu Ablagerungen an den Rändern und einer unzureichenden Abdeckung in der Mitte führt.
Was verursacht den „Pump-Out“-Effekt bei Wärmeleitpaste?
Die relative Bewegung ist der Hauptfaktor. Eine Fehlanpassung der CTE, Verformungen, Vibrationen, die Durchbiegung der Leiterplatte, schwankende Klemmkräfte, die Geometrie der Klebefuge sowie die Rheologie des Schmierfetts beeinflussen die Migrationsgeschwindigkeit.
Woran erkennt man, ob die Wärmeleitpaste herausgelaufen ist?
Achten Sie auf eine anfänglich gute Leistung, die sich im Laufe der Zyklen verschlechtert, sowie auf einen schmalen Heißbereich und Ablagerungen an den Kanten beim Ausbau. Überwachen Sie die Stromversorgung und die Kühlung und schließen Sie anschließend Fehler aufgrund von Staub, Hardware, Befestigung und Ebenheit aus.
Ist „Pump-Out“ dasselbe wie das Austrocknen von Wärmeleitpaste?
Nein. Beim „Pump-out“ handelt es sich um eine mechanische Verdrängung; beim „Dry-out“ kommt es hingegen zu Trägerverlust, Abtrennung, Oxidation oder Aushärtung. Diese Phänomene können zwar gemeinsam auftreten, ihre Ursachen unterscheiden sich jedoch.
Warum kommt „Pump-Out“ bei GPUs und Laptops so häufig vor?
Freiliegende Chips, konzentrierte Wärme, flexible Strukturen, Federschrauben und umgebende Kontaktflächen beeinträchtigen die Kontaktqualität. Durch häufige Schaltzyklen kann sich eine nur unzureichend aufgebrachte Paste von der Mitte wegbewegen.
Verhindert zunehmender Druck das Abpumpen von Wärmeleitpaste?
Richtig, ein gleichmäßiger Druck verbessert die Benetzung und sorgt für eine kontrollierte Klebefuge. Zu viel Kraft kann dazu führen, dass Material herausgedrückt wird oder Teile verformt werden. Halten Sie sich daher an die technischen Vorgaben, anstatt einfach nur fester anzuziehen.
Hält eine dickflüssigere oder viskosere Paste dem Abpumpen besser stand?
Nicht unbedingt. Die Viskosität bei Raumtemperatur berücksichtigt weder die Fließspannung noch die Rückstellung, das Ausbluten oder das Verhalten bei hohen Temperaturen. Überprüfen Sie die Beständigkeit unter den vorgesehenen Bedingungen hinsichtlich Spaltweite, Druck, Temperatur und Bewegung.
Kann ein Phasenwechselmaterial das „Pump-Out“-Phänomen verhindern?
Ein Phasenwechsel-TIM kann die Schmiermittelwanderung verringern, da es bei der Handhabung fest ist und sich bei Erwärmung verflüssigt. Es liegen jedoch noch keine geeigneten Daten zu Aktivierungstemperatur, Druck, Schichtdicke und Zyklen vor.
Wie wird das Abpumpen von Wärmeleitpaste geprüft?
Ingenieure legen einen Ausgangswert fest, wenden repräsentative thermische, leistungsbezogene, mechanische oder Schwingungszyklen an und vergleichen anschließend das thermische Verhalten. Mithilfe von Ultraschalluntersuchungen und Demontagen lassen sich Hohlräume, Risse und Materialwanderung aufdecken.
Was ist die beste langfristige Lösung für wiederkehrende Entleerungen?
Reduzieren Sie die Bewegung zunächst, indem Sie die Ebenheit, Verformungen, die Dicke des Dichtungsstapels, die Stabilität der Klemmung und Temperaturschwankungen überprüfen. Wählen Sie anschließend ein geeignetes Schmierfett oder ein alternatives Wärmeleitmaterial für die gesamte Baugruppe aus.
