PTM, also „Phase Transition Material“ ist spätestens seit 2022 im PC-Bereich ein immer wieder aufkommendes Thema. Manche Hersteller verwenden dieses mittlerweile standardmäßig in ihren Produkten (beispielsweise in bestimmten Notebookmodellen von Lenovo und in Servern).
Warum man überhaupt eine Alternative zur klassischen Wärmeleitpaste* suchen sollte macht sich besonders bei Gerätschaften mit hoher bis sehr hoher Leistungsdichte (z.B. moderne GPUs) bemerkbar: Der sogenannte „Pump-Out-Effekt“ tritt auf. Durch das zyklische Erhitzen und Abkühlen des Siliziums bzw. des IHS und des Kühlers wird durch die gleichzeitig stattfindende Ausdehnung und Schrumpfung des Materials über Zeit die Wärmeleitpaste herausgedrückt und im Ergebnis wird der Kontakt zwischen beiden Bauteilen über die Zeit immer schlechter – die Kühlleistung sinkt.
Daher auch die Empfehlung vieler mindestens einmal im Jahr die Wärmeleitpaste zu tauschen, wenn ein Gerät häufig und am Limit läuft da die Kühlleistung spürbar und messbar nachlässt. Den niedrigsten Wärmeübergangswiderstand hat Wärmeleitpaste also immer dann wenn diese frisch erneuert wurde oder kurz darauf. Danach wird die Kühlleistung graduell von Zyklus zu Zyklus immer minimal schlechter.
Auch die sonstigen Vor- und Nachteile der üblichen TIMs inklusive PTM kann man tabellarisch gut gegenüberstellen:
| Wärmeleitpaste | PTM | Flüssigmetall | |
|---|---|---|---|
| Hersteller | Arctic | Honeywell | Thermal Grizzly |
| Produkt | MX-4* | PTM7950* | Conductonaut* |
| Wärmeleitfähigkeit | bis zu 5 W / (m·K) | bis zu 8.5 W / (m·K) | bis zu 73 W / (m·K) |
| Temperaturbereich | -50 °C bis +150 °C | -40 °C bis +125 °C Phasenwechsel findet bei ca. +45°C statt | +10 °C bis +140 °C |
| Haltbarkeit | Chemisch und technisch mittel, bei hohem Leistungsübergang technisch eher kurz da Pump-Out stattfindet | Chemisch und technisch lange | Chemisch und technisch sehr lange bei optimalen Bedingungen |
| Pump-Out Effekt | Ja | Nein | Nein |
| Elektrisch leitfähig | Nein | Nein | Ja |
| Optimale Oberflächenbeschaffenheit | Alle | Alle, die beste Leistung wird allerdings nur bei Direct-Die-Kühlung erreicht | Nur vernickeltes Kupfer macht langfristig Sinn, da das Indium im Flüssigmetall über Zeit ins Material einzieht |
| Aufwand | Gering | Mittel | Hoch |
| Anwendung | Einfach | Eher schwierig | Mittelmäßig wenn man sich an die Anleitung hält |
| Kosten | Gering bis Mittel | Mittel | Hoch |
Einfach ausprobieren!
Ähnlich wie damals beim Flüssigmetall wollte ich dieses PTM von Honeywell schon seit ich davon las ausprobieren. Die Vorteile liegen auf der Hand:
- Kein Pump-Out
- Theoretisch kein Wartungsaufwand in der Zukunft
- Minimal bessere Wärmeübertragung als Paste
- Kein Kurzschlussrisiko bzw. hoher Aufwand wie bei Flüssigmetall (oder über Zeit angefressene Oberflächen)
Es gibt aber auch Nachteile, zum Beispiel müssen einige Temperaturzyklen durchgeführt werden um die volle Leistung zu erreichen. Das sollte allerdings das kleinste Problem sein. Die Anwendung ist auch nicht wirklich komfortabel.
Vor kurzem habe ich zwei Exemplare der 40 x 40 mm Variante günstig bei einem reputablen Verkäufer auf AliExpress* erworben. Dieses Maß passt auf die Heatspreader aller älteren und neueren Intel- und AMD-Desktopprozessoren (Aber nicht auf die großen Server- oder Workstation-CPUs!).
Das Ganze kam als Set, mit allem was benötigt wird:
Anwendungszweck, oder: Das Opfer
Ideal wäre eine Anwendung des PTM bei Direct-Die-Kühlung, also wenn der Kontakt zwischen Siliziumdie und Kühler direkt stattfindet, nicht durch einen zusätzlichen „Integrated Heatspreader“ (IHS).
Da bei Desktop- und Serverprozessoren im Normalfall immer ein IHS verbaut ist muss ich das PTM wohl oder übel erst einmal in diesem suboptimalen Fall testen:
Der Prozessor im „Küche-PC“ mit dem maximal übertakteten und luftgekühlten Intel Core i7-7700K soll das erste Opfer werden. Einmal weil ich auf das System im Ernstfall verzichten könnte und zum zweiten weil der Zugang zur Hardware im Moment sehr einfach ist. Dazu sollte ich durch den Betrieb am Spannungs- und Kühlungslimit deutliche Unterschiede sehen und messen können, trotz IHS.
Vorab sollte gesagt sein, das diese CPU vor längerem delidded, mit Thermal Grizzly Conductonaut* versehen und mit Elring Dirko HT* verschlossen wurde um die von Intel ab Werk verwendete, sehr schlechte Paste zwischen Die und Heatspreader zu ersetzen. Zum gesamten Projekt „Küche-PC“ habe ich damals eine Beitragsserie verfasst, in der auch das Delidding detailreich beschrieben wird. Hier geht es also um den zweiten Übergang zwischen Heatspreader und Kühllösung.
Im Moment ist die Hardware temporär völlig gehäuselüfterlos in einem gebrauchten Graphite Series 230T von Corsair verbaut:
Um den Thermalright Peerless Assassin 120 SE* zu entfernen musste ich das Mainboard ausbauen, es war mir einfach zu eng. Das war eine weise Entscheidung, wie sich noch zeigen wird.
Kühler entfernen und Reinigung
Nachdem der Zugriff auf alle Komponenten durch das Ausbauen des Boards wesentlich einfacher wurde, habe ich den Kühler entfernt und alle Teile zuerst trocken mit Papiertüchern und dann mit Isopropanol* (statt den mitgelieferten Tüchern) sorgfältig gereinigt:
Los gehts…
Erst einmal das PTM-Set komplett ausgepackt und das 40 x 40 mm Pad mit einer scharfen Schere etwas besser an die Maße des IHS vom i7-7700K angepasst, dann zuerst einseitig eine der mitgelieferten Abziehhilfen angebracht:
Im Anschluss habe ich eine zweite Abziehhilfe auf der gegenüberliegenden Seite des Pads angebracht, eine Folie abgezogen, vorsichtig gezielt und das Pad auf dem Heatspreader „positioniert“ – Wenn man das so sagen möchte wenn etwas einfach fallengelassen wird und dann final so kleben bleiben muss weil die Haftung direkt sehr stark und die Gefahr der Beschädigung des Pads sehr hoch ist. Dann wurde die zweite, obere Schutzfolie abgezogen, wo man an der leicht beschädigten Ecke des Pads sehen kann das dies alles andere als einfach war (Zweites Foto unten links).
An dieser Stelle wäre ein vorheriges Herunterkühlen des Pads wie vielfach empfohlen angebracht, ich wollte es absichtlich ohne versuchen. Es ging, war aber kein Spaß. Das nächste Mal werde ich das PTM für 10 – 15 Minuten vorher kühlen. Die „Löcher“ waren sichtbare Lufteinschlüsse, die ich mit einer Nadel angepiekst habe damit ich die Luft herausdrücken konnte:
Im Anschluss habe ich den Kühler wieder vorsichtig montiert, die Lüfter angebracht, eingesteckt und alles wieder zurück ins Gehäuse gebaut.
Erster Eindruck
Eigentlich wollte ich direkt inklusive dem ersten 45°C Phasenwechsel eine Aufzeichnung mit HWiNFO machen: Die Kühlleistung war aber doch einige Grad Celsius schlechter als zuvor was mehrere Bluescreens zufolge hatte sobald Volllast angelegt wurde. Zwischen 90°C und 100 °C auf dem heißtesten Kern, zuvor hab ich 90°C oder mehr nie gesehen – Bei gleichen Randbedingungen.
Also bin ich über zwei Tage hinweg nebenbei erst einmal 5 Zyklen bestehend aus folgenden Schritten abgefahren um einen sauberen „Burn-In“ zu bekommen – Es ist schließlich bekannt das die volle Kühlleistung des PTM7950 erst durch einbrennen erreicht werden kann:
- 10 Minuten Leerlauf
- 30 Minuten Cinebench R23 Multicore
- 10 Minuten Leerlauf
- 10 Minuten Prime95 ohne AVX (Overclock ist nicht AVX-stabil)
- PC ausschalten und mindestens eine Stunde abkühlen lassen
Am Ende habe ich über mehrere Stunden Prime95 ohne AVX laufen lassen, es sind dann keine Auffälligkeiten, Abstürze oder Ähnliches mehr aufgetreten. Daran sieht man wie sich die Kühlleistung verbessert aber auch wie hart an der Grenze dieser Overclock sowohl thermisch als auch spannungstechnisch ist (5.2 GHz bei Last auf 3 – 4 Kernen, 5.3 GHz bei Last auf 1 – 2 Kernen – bei knapp unter 1.40 Volt Vcore mit Luftkühlung!).
Die Unterschiede im Detail
Vor dem Umbau auf das PTM habe ich mehrere, 10 Minuten dauernde Durchläufe von Prime95 ohne AVX mittels HWiNFO aufgezeichnet, mit je 20 Sekunden Vor- und Nachlauf um auch die An- und Abstiege gut zu sehen. Nach dem Umbau und der Burn-In Phase habe ich das wiederholt. Am Ende habe ich aus je 3 aufgezeichneten Messungen die jeweils repräsentativste, durchschnittlichste herausgenommen und vergleiche hier also die verschiedenen relevanten Werte eines MX-4 Runs (Blau) und eines PTM7950 Runs (Rot). Das System wurde zuvor mindestens eine halbe Stunde warmlaufen gelassen um annähernd realistische Werte zu erreichen (Cinebench R23 Multicore, 30 Minuten).
Die Wärmeleitpaste* war zum Zeitpunkt schon einige Monate in Betrieb, hatte aber deutlich weniger als 100 Zyklen hinter sich. Wenn überhaupt sollte nicht viel Unterschied zu einer frisch aufgetragenen Paste sein, auch da das System weit entfernt von stark belastet betrieben wird. Wie man den Fotos entnehmen kann war auch noch kein nennenwerter „Pump-Out“ zu sehen (Der sowieso eher und stärker bei Direct-Die-Kühlung auftritt).
Die jetzt folgenden Gegenüberstellungen aus den Logs von HWiNFO erzeugten Grafiken habe ich mit „Log Visualizer“ erstellt:
Temperaturvergleich des ersten Kerns
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Temperaturvergleich des zweiten Kerns
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Temperaturvergleich des dritten Kerns
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Temperaturvergleich des vierten Kerns
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Temperaturen aller Einzelkerne
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Temperatur der gesamten CPU
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Grad Celsius.
Zwischenfazit
Die Temperaturen haben sich durch die Bank leicht aber deutlich messbar und außerhalb von Toleranzen verbessert. Auffällig ist die nahezu identische Temperaturstreuung der einzelnen Kerne egal mit welchem TIM zwischen IHS und Kühler: Das Flüssigmetall* ist auf dem Die unter dem Heatspreader wohl nicht perfekt gleichmäßig verteilt, sowohl mit Paste als auch mit PTM. Selbst wenn, exakt gleiche Werte sind wohl aus verschiedensten Gründen nie erreichbar, angefangen mit der schwankenden Siliziumqualität auch innerhalb des Dies.
Weiter geht es mit Vergleichen der Leistungsaufnahme und den Lüftergeschwindigkeiten.
Leistungsaufnahme der gesamten CPU
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Watt.
Lüftergeschwindigkeiten (2 x 120 mm von Thermalright, PWM)
Die drei Werte in der Tabelle sind von links nach rechts: Minimum, Maximum und Durchschnitt. Die angegebenen Werte sind in Umdrehungen pro Minute.
Zusammenfassung
Da ich nicht unter Laborbedingungen teste, werden die Messwerte nicht 100% akkurat sein da ich Dinge wie Luftdruck und Raumtemperatur nicht kontrollieren kann. Trotzdem kann ich mich auf eine klare Richtung festlegen:
Selbst beim Einsatz auf einem Heatspreader ist das PTM7950 mindestens nicht schlechter als gute Wärmeleitpaste. In den vorangegangenen Messungen eher durchweg leicht besser. Natürlich gibt es auch deutlich teurere und zumindest im Datenblatt etwas bessere Wärmeleitpasten als die MX-4 von Arctic*. Aber egal welche, es ging mir primär darum Pump-Out zu verhindern und infolgedessen Wartungen an der Kühlung zu vermeiden (Außer dem regelmäßigen Entstauben).
Über mittel- oder langfristiges Verhalten des PTM kann ich natürlich im Moment keine Aussage treffen. Ebenso ist das von mir erworbene Produkt auf AliExpress mit den passenden Werten und einem echt aussehenden Honeywell-Logo versehen – trotzdem kann das enthaltenen Pad eines der mittlerweile vielen Nachahmer sein. Sehr schwierig das mit Hausmitteln zu überprüfen.
Ich persönlich bin mit dem Ergebnis zufrieden, wenn die Kühlleistung nicht nachlässt hat die Umrüstung genau das bewirkt was sie sollte. Wenn sich die Situation ergibt werde ich das PTM eines Tages auf einem sehr leistungsdichten GPU-Die anwenden, da sollten die Ergebnisse noch deutlich besser sein, besonders längerfristig.