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Mythos Wärmeleitpaste – Edelpaste zum Apothekenpreis gegen günstiges Massenprodukt – Wir rechnen gnadenlos nach!

Das Geschäft mit der Wärmeleitpaste ist ein sehr profitables, das war so, ist so und wird wohl auch so bleiben. Nur was bedeutet der von der PR so gern genommene K-Wert eigentlich wirklich? Wir rechnen einmal nach, mit welchen Temperatur-Gewinnen oder -Verlusten man wirklich rechnen kann bzw. muss.

Berechnung einfach erklärt – 4 Faktoren sind wichtig

Ich erinnere noch einmal kurz an Seite Eins und die Angabe der Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter Celsius bzw. Watt pro Meter-Kelvin. Einigen wir uns einfach auf W/m*K, wobei man das Sternchen auch weglassen könnte. Da es aber so übersichtlicher ist, lasse ich es einfach stehen. Aber was zur Hölle macht jetzt die Einheit Meter hier? Die Einheit Meter benötigen wir für das Verhältnis aus der Dicke (der Wärmeleitpasten-Schicht) in Metern (m) zur Fläche (der Wärmeleitpasten-Schicht) in Quadratmetern (m²). Rechnet man nun m/m², dann bleibt logischerweise 1/m übrig und wir haben unseren gesuchten Meter (m) fürs Verhältnis. Ist doch gar nicht so schwer.

Unsere Formel benötig nun vier Angaben, die wir kennen oder ermitteln müssen:

Wärmeleitfähigkeit („K“) Diesen Wert W/m*K  bzw. W/mK findet man fast immer in den Herstellerangaben
Anwendungsbereich der Wärmeleitpaste Fläche des CPU-Heatspreaders bzw. der GPU in m²
Anwendungsdicke der Wärmeleitpaste Dicke der Schicht (je nach Skills und Paste) zwischen 0,02 und 0,05 mm (0,00002 bis 0,0005 m)
Maximale Verlustleistung der CPU in Watt
Hier stresst man die CPU und ermittelt die sogenannte Package Power

Ich habe hier nun drei (etwas gerundete) Abmessungen und Flächen für Euch, mit denen es sich mit- und nachrechnen lässt. Wer andere CPUs nutzt, setzt dann einfach seine Werte ein:

AMD Sockel AM4 AMD Sockel TR4 Intel Sockel 1151 RX 5700 XT
37.5 mm x 37. 5 mm 68 mm x 51 mm 29.5 mm x 29.2 mm GPU Die
= 0.00140625 = 0.003468 m² = 0.0008614 = 0.000251 m²

So, nun kommt die Formel:

Rpaste = (Dicke / Fläche) * (1 / Wärmeleitfähigkeit)

Beispiel 1 – Ryzen 5 3600X

Machen für zum besseren Verständnis jetzt die Beispielrechnung. Kevin-Justin besitzt eher schlechte Skills, aber er macht das mit der Wärmeleitpaste nicht zum ersten Mal. Er kauft sich zudem smarterweise die teure Flutschinaut mit 12,5 W/m*K, so dass  er am Ende mit Hilfe der sehr flüssigen Paste auf eine mittlere Schichtdicke von 0,00004 m kommt.  Außerdem kauft er sich einen Ryzen 5 3600X mit einer Heatspreaderfläche von 0,00140625 m². Jetzt können wir den Temperaturabfall in Kelvin oder °C ganz einfach ausrechnen:

Rpaste = (0.00004 m / 0.00140625 m²) * (1 / 12.5 W/m*K) = 0.002275 K/W

Wenn sein Ryzen 5 3600X jetzt maximal 95 Watt an Abwärme abgibt, beträgt der Temperaturabfall logischerweise 0.002275 K/W * 95 W, also am Ende ganze 0,216 Kelvin bzw. Grad Celsius! Wenn er jetzt allerdings geizig war, und nur die ultragünstige Aldinaut mit 4 W/m*K nimmt, die zudem einen Tick viskoser ist und er mit einer (akzeptablen) Schichtdicke von 0,0001 m auskommen muss, die CPU aber immer noch dieselbe ist, dann schaut das ungefähr so aus:

Rpaste = (0.0001 m / 0.00140625 m²) * (1 / 4 W/m*K) = 0.0178 K/W

Da wir immer noch bei 95 Watt herumkrebsen, muss Kevin-Justin nun mit einem Temperaturabfall von 1.7 Kelvin (bzw. °C) rechnen. Das sind gerade einmal 1.5 Kelvin mehr! Wenn man nun übertaktet und die CPU auf 150 Watt hochprügelt, dann sind es mit der Flutschinaut 0,34 Kelvin und mit der Aldinaut 2.67 Kelvin. Der Unterschied beträgt also bereits rund 2,3 Kelvin.

Beispiel 2 – Core i9-9900K

Seine Freundin Chantal-Chayenne kauft sich lieber einen Intel-Prozessor für ihr tolles Z390-Brettchen und taktet sofort hoch bis der Onkel Doktor kommt. Rechnen wir deshalb gleich mit den 150 Watt, obwohl auch das eher für die Galerie ist. Wer lieber mit 95 Watt leben will, rechnet jetzt einfach selbst. Testen wir wieder Flutschinaut gegen Aldinaut:

Rpaste = (0.00004 m / 0.0008614) * (1 / 12.5 W/m*K) = 0.00371 K/W

Rpaste = (0.0001 m / 0.0008614) * (1 / 4 W/m*K) = 0.029 K/W

Bei 150 Watt ergäben sich also 0,557 Kelvin und 4,35 Kelvin, also immerhin schon ca. 3.8 Kelvin Unterschied. Mehr allerdings auch nicht.

Beispiel 3 – Grafikkarte Radeon RX 5700 XT

Die vergleichsweise hohe Wärmedichte  ist schon eine Herausforderung und somit unterliegen Grafikkarten wegen der vergleichsweise zur CPU kleinen Fläche bei fast immer deutlich höherer Verliustleistung ihren eigenen Empfehlungen. Nimmt man z.B. den 7-nm-Chip einer Radeon RX 5700 XT und rechnet mit einer mittleren Schichtdicke von 0,00004 m, dann ergibt sich bei der Flutschinaut folgende Rechnung

Rpaste = (0.00004 m / 0.000251 m²) * (1 / 12.5 W/m*K) = 0.0127 K/W

Übertaktet man jetzt gehörig und rechnet mit maximal 300 Watt Verlustleistung, dann sind das bereits 3.81 Kelvin mit der guten Paste. Und jetzt fragen wir uns, was mit der Aldinaut passiert, wenn es uns denn gelänge, eine genauso dünne Schicht hinzubekommen. Wir rechnen noch einmal, aber diesmal mit 4 W/m*K:

Rpaste = (0.00004 m / 0.000251) * (1 / 4 W/m*K) = 0.o398 K/W

Jetzt sind es schon satte 11.94 Kelvin und wir verstehen auch, warum ich keine günstigeren Pasten auf Grafikkarten empfehle, auch wenn sie noch so flutschig und „reliable“ sind.  Das sind über 8 Kelvin unterschied zwischen günstiger Discounter-Ware und Hummer-Paste aus dem Delikatessengeschäft. Doch es geht ja auch noch besser, denn es gibt sogar konventionelle Produkte mit immerhin 16 W/m*K als Aufdruck. Doch lohnt sich hier der Aufpreis?

Rpaste = (0.00004 m / 0.000251) * (1 / 16 W/m*K) = 0.00996 K/W

Mit 2.99 Kelvin liegt man mit dem anderen Edelstoff jetzt noch 0,9 Kelvin über der Flutschinaut. Bei Preisvergleichen muss man allerdings aufpassen, da viele Anbieter bewusst eingene Abfüllgroßen verwenden, um den direkten Preisvergleich etwas zu erschweren.

Viel schadet viel

Wir sehen also, dass zu viel Paste eine zu dicke Schicht ergibt und damit auch einen zu hohen Temperaturabfall verursacht. Und das mit dem höchstmöglichen Anpressdruck ist auch so eine Urban Legend. Man benötigt wirklich nur so viel Druck, dass der Kühler fest und nicht locker sitzt. Natürlich muss die Paste soweit gedrückt werden, dass sie luftfrei die Lücken schließt und dabei auch die dünnstmögliche Schicht ergibt.  Die Dünn-durch-Schrauben-Fraktion ersetzt mangelnde Skills mit Drehmoment und presst die Flutschinaut solange seitwärts, bis es nicht dünner geht oder das Motherboard krachend Schaden nimmt. Wer gleich weniger draufkleistert, hat diese Probleme nämlich nicht.

Collection

Zusammenfassung und Fazit

Am Ende sehen wir, dass der Unterschied zwischen den Pasten vor allem bei den CPUs eher nicht durch die tolle Zahl auf der Verpackung zustande kommt, sondern durch eine meist dickere Schicht. Genau deshalb schwören auch heute noch viele auf die Arctic MX-2 und MX-4, weil sie zwar von den Daten her auch nicht mehr zeitgemäß, aber dafür so flutschig ist, dass man damit immer noch mit die dünnsten Schichten hinbekommt. Diamant-Paste muss man heiß machen und auftragen können, die MX-Gang geht immer und überall. Naja, fast, denn sie versagt spätestens bei aktuellen Grafikkarten grandios.

Natürlich spielen noch viele weitere Faktoren eine Rolle und der hier ausgerechnete Temperaturabfall ist nur eine kleine Facette des Kühlversagens oder der Performance-Krone. Aber die Rechnung zeigt, dass der ganze Wärmeleitpasten-Hype eher in Richtung Gold-Kabel und Schlangenöl abdriftet, als dass er wirklich technische Gründe hätte. Wer mal in unsere Wärmeleitpasten-Charts schaut, der sieht auch, dass die Unterschiede auch im realen Messaufbau überschaubar bleiben und man sich wirklich fragen muss, warum man den Gegenwert eines Mittagessens in Wärmeleitpaste versenken soll.

Die wirklich guten (und damit sehr hochpreisigen) Produkte lohnen sich nur bei kleiner Fläche und gleichzeitig sehr hohen Verlustleistungen, also bei sehr hoher Wärmedichte (Density). Dann kann es auf jedes W/m’K ankommen, um das Delta z.B. zwischen Wasserblock und Die möglichst gering zu halten. Bei einer CPU hingegen liegt diese Wärmedichte um ein Vielfaches niedriger. Und wer sich den Threadripper anschaut, dem reicht auch notfalls fast schon Zahnpasta.

Bei CPUs sollte man auf Grund anderer Faktoren, wie z.B. Ausbluten (Silikonaustritt und Sprödigkeit im Alter), dann doch nicht ins Uralt- und Billigregal greifen, denn auch Wärmeleitpaste hat ein Ablaufdatum und man setzt am Ende mehr zu als man spart. Nur fürs echte High-End der Pasten muss man schon Verlustleistungen ab 200 Watt (und mehr) auffahren, um einen echten Mehrwert erleben zu können. Dann darfs vielleicht auch mal eine metallische Tube Goldinaut Fluid sein. Die 65-Watt-Fraktion ist allerdings, wenn es mit den Temperaturen nicht klappt, garantiert an den eigenen Skills gescheitert, nicht jedoch an der günstigeren Aldinaut.

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Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.