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Real laboratory tests of thermal pastes on igor’sLAB – Part 2 – First comparative measurement with 2 expensive pastes

The advantage of many measuring points – derivation of practical values

Apart from the fact that I also have the temperatures of the heater and the water, which are of no use to us because they always remain constant, I have my measurement setup with temperature sensors 1 to 6 (see diagram below). With these values you can now also make some very nice considerations. Let’s go!

Let us first take the values of T3 and T4, which show us the two temperatures at the respective contact surfaces between which the paste is located. These curves are no longer completely linear, because the interface resistance also changes a little. And we do not calculate with 6 points, but only with 2 absolute values for the temperature difference instead of a gradient as withTTim, whereby the sample temperature remains constant. And what is the point of all this? The behavior is similar to that of a graphics card, which has to manage without an IHS and where the delta is usually measured between the substrate and the water temperature. I will also include this value in my paste tests and the online database.

Now I compare T1 of the reference with T1 of the gaming paste A. While the heater remains constant, we already have sufficient thermal resistance in the copper reference block to simulate the CPU temperature and its differences with different pastes in comparison to the reference and in relation to the layer thickness of the paste. It is precisely this variable evaluation that no test on a CPU can offer, because it is always individually different and therefore not really reproducible. Here in the TIMA5 test, however, it is.

What also seems interesting is the contact resistance, in our case the interface resistance. Here you can see how well the surface of the paste “clings” to the contact surfaces (IHS, heatsink). These values are also easy to compare and meaningful, as they are always the same calibrated reference blocks. Coarser degrees of grinding or a less favorable microstructure can also be a negative factor, which then influences the effective thermal resistance and thus also the conductivity, as can too low temperatures and too high a viscosity.

Summary and conclusion

The first thing I noticed was that all the data on thermal conductivity is actually superfluous. If a paste spreads more easily and more thinly, then it can certainly perform at the level of a nominally better paste, which is perhaps significantly more viscous and has a poorer interface resistance. I did the counter-test on a water-cooled Intel Core i9-13900K with these two pastes, where in the end there was only one Kelvin difference in CPU temperature between the sample and the Gaming Paste A. We have known for some time that the differences between the pastes are not that great in reality, as long as they do not bleed or dry out and crack.

In addition to these six tests and the evaluation, there will soon be an online database, which of course also contains further information (manufacturer’s data sheet), plus our own photos, the TIMA5 documents and which allows sorting or searching for various factors in the website interface. In addition, there are of course the material tests with the analysis of the paste content and some high-resolution microscopy for the gallery. I can also carry out ageing tests for certain pastes and suspicious moments, but as always this is purely a question of time. But that will probably be a case-by-case decision, depending on the case.

Rarely valid, but unfortunately necessary this time: A lot helps a lot!

So, I’m going to take a lot of cloths, some delicious isopropyl alcohol and some time to dispose of today’s sour cream from the TIMA5. After all, I measure from 400 µm downwards and that’s why I have to put a lot of paste on it first. Of course, I clean the reference bodies every time, but there is also a lot of spillage. Of course, this also needs to be disposed of at the end of each session. And cleaning the windows is a point of honor. Tomorrow, Wednesday, there will be a case lunch and on Thursday and Friday I will reveal the secret of the reference paste and the Gaming Paste A. After that, depending on the availability of pastes, there will be lots of individual tests, so this will certainly be a long affair.

If you have any suggestions or ideas for the test content or the database content, please feel free to contribute. But what I definitely won’t be doing is testing on a CPU or GPU. I can also emulate this here, but with reliably reproducible values, regardless of whether it’s a cold 10 °C or a Mediterranean 30 °C in the room. That’s what chillers and heaters and all kinds of measurement and control electronics are for. Apart from that, I’m glad that everything is finally running as it should. And a little more transparency in the paste gold market really can’t hurt.

Once again, I refer you to my request for more pastes, because the selection can never be big enough. What’s more, I will soon have a hard-working helper who has already proved his worth as Padman Junior. But don’t worry, everything will definitely stay in the family! And pastes are grateful, I can prepare them nicely without the launch stress. Because next week I’ll be on vacation for a short while, then there will be articles from the team and new articles from me from the canned pastes. So as usual and hopefully without a gap 🙂

 

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eastcoast_pete

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👍🏻Interessant, und auch gut zu sehen, daß Dein Nachwuchs auch schon Interesse zeigt!
Take-Home für mich von dem ersten Test: eine gut zu verarbeitende Paste, die eine gleichmäßige und dünne Schicht zwischen Heatspreader und Kühler ergibt, ist Wunderpasten mit hohen Zahlen durchaus gewachsen. Und wahrscheinlich deutlich billiger.

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DrDre

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Sehr schön, bin gespannt (y)
Die 17ner Paste ist nicht zufällig die Apex?

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echolot

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In welchem Temperaturbereich kannst Du testen? Da ergeben sich ja noch viele Optionen außerhalb des typischen Anwendungsbereichs. "Ich geb Gas ich hab Spaß" :D

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Igor Wallossek

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Der Chiller schafft nur minimal -10 Grad, aber nach oben ist das Limit bei 275 °C am Heater. Und aktuell bei 300N auf den 1 cm²
Ergo bekommt man eine Paste auch schon mal auf 125 °C -> Härtetest

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Igor Wallossek

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10,898 Kommentare 20,669 Likes

Auflösung am Donnerstag :D

Wie kommen die Hersteller zu solchen Zahlen? Man nehme ein ganzes Fass Wärmeleitpampe... Je mehr Pampe und umso weniger Kontaktfläche, umso höher die Werte :D

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echolot

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Also rein theoretisch wäre damit dann auch der Anpressdruck auf die CPU/Die zu simulieren, wobei ich jetzt nicht genau weiß was so die gängigen Anziehdrehmomente der Kühler bzw. wie groß der daraus resultierende Druck ist. Auf jeden Fall eine schöne Sache mit vielen Möglichkeiten.

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Igor Wallossek

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Intel 500N, das das überbiete ich locker, da ja die Fläche kleiner ist. 😎

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Beschi

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Moin,
Hat Roman schon ein Thermal-Pad gesponsert? Bin sehr gespannt wie sich das bei unterschiedlichen Drücken verhält.
Gruß Beschi

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echolot

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Genau. Kraft pro Fläche = Spannung (hier Druck)

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Igor Wallossek

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Ich bekomme diese Woche noch das komplette Portfolio. :)

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Martin Gut

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Ein wichtiger Unterschied ist dann aber noch, dass hier zwei ebene Flächen aufeinander gepresst werden. Bei einer CPU oder GPU hat man immer eine Wölbung. Dadurch hat man (meist) in der Mitte einen hohen Druck und eine sehr dünne Schicht und gegen aussen wenig Druck und eine höherer Schichtstärke. Da diese bei jedem Prozessor anders ist, kann man so etwas nicht mit einem standardisierten, vergleichbaren Test messen. Ein Test kann immer nur einzelne Situationen testen die dann mit den Bereichen auf einem Prozessor mehr oder weniger vergleichbar sind.

Die Aufteilung in Kontaktwiderstand und Leitfähigkeit ist aber auf jeden Fall ein grosser Schritt das ganze etwas genauer zu betrachten und nicht nur mit beliebigen Werten um sich zu werfen die nichts aussagen. Dadurch kann man auch Aussagen machen, welche Paste bei welcher Dicke ungefähr wie gut sein wird.

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Igor Wallossek

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Ich persönlich arbeite nur mit Rth und Rth eff, alles andere ist Kokolores :D

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Saschman73

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Schön langsam sollte die Industrie das Problem mit konkav und konvex in der Produktion besser in den Griff bekommen!
Toleranzen von unter 0,02mm sollten doch eigendlich nicht so ein riesen Problem sein, sollte man zumindest glauben.

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big-maec

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982 Kommentare 592 Likes

Soweit ich weiß, hat nur der Heatspreader die konkave oder konvexe Fläche. Damit dürften die meisten GPUs wegfallen. Meine GTX 470 hat aber noch einen. Wenn es geht, fliegt der Heatspreader bei mir eh runter.

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echolot

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1,185 Kommentare 926 Likes

Mir gehtes hier in erster Linie um die Auswirkung von Druckänderungen auf das hier genannte (she Artikel Teil 1, Seite 2)

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echolot

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1,185 Kommentare 926 Likes

Wegen annhähernd linearem Verlauf von Rth und zu vielen Variabeln (Gefüge, Korngröße, Druck, Homogenität), die die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen?

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Gregor Kacknoob

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546 Kommentare 453 Likes

Geilo, was ein feuchter Traum. Hoffentlich wird auch Zahnpasta getestet :D

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Martin Gut

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8,133 Kommentare 3,845 Likes

Die Biegung entsteht durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Silizium und der Platine. Man bringt die Lotpaste auf die Platinen auf. Dann setzt man die Chips darauf. Alles zusammen wird dann in einem Ofen langsam aufgeheizt bis das Lot bei 160 bis 190 Grad verschmilzt. Dann lässt man es wieder langsam abkühlen. Das Lot erstarrt und Platine und Chip sind verbunden. Alles zusammen kühlt nun langsam wieder ab. Dabei ziehen sich Platinenmaterialien viel stärker zusammen als das Silizium des Chips. Darum verbiegt es die Chips nach oben. Wie stark hängt von der Grösse des Chips und des Platinenmaterials ab. Natürlich versucht man Materialien zu finden, die sich nicht zu stark zusammen ziehen. Es ist ja nicht nur die Wölbung problematisch sondern auch die Spannungen in der Lotschicht. Das Platinenmaterial muss aber auch noch viele andere Anforderungen möglichst gut erfüllen so dass die Wahl nicht so einfach ist. Ein Hersteller muss alle Kriterien im Auge behalten und nicht wie wir nur auf die Kühlerauflage achten. Ich bezweifle auch, dass es ein Platinenmaterial gibt, das eine ähnliche Ausdehnung wie Silizium hat.

Es gibt Freaks, die ihre CPUs plan schleifen. Für einen Hersteller ist das aber auch nicht so einfach. CPUs sind oberflächlich beschichtet damit keine Stoffe durch das Silizium in den Prozessor migrieren können. Man müsste die Schutzschicht also wieder neu aufbringen nachdem man den Chip geschliffen hat. Ich weiss nicht, was das für eine Beschichtung ist. Ich vermute eine aufgedampfte Metallschicht. Das lässt sich bei einem verbauten Chip aber nicht mehr machen.

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Klicke zum Ausklappem
Martin Gut

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8,133 Kommentare 3,845 Likes

Das hat Igor doch schon gemacht: :p

Viel mehr wird man da auch mit der teuren Anlage nicht herausfinden.

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Danke für die Spende



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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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