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Secret file thermal paste: Increasing layer thickness at high temperatures, ageing and differences in quality and their influence on benchmarks

I can’t spare you a little bragging knowledge now, but if you didn’t sleep completely in school, you’ll be able to understand the following easily, because I’m trying to simplify it as much as possible.

Thermal expansion of materials

As the temperature rises, all materials, including the thermal compound, expand thermally. This is well known, whereby the thermal paste can expand both in its surface area and in its thickness. And because such a paste is a viscoelastic material, it has both flowing (viscous) and restoring (elastic) properties, which are collectively referred to as viscoelastic properties. Nevertheless, we need to carefully separate the two at this point.

Viscous reaction
At higher temperatures, the material usually becomes softer. This means that it tends to flow more, especially under the pressure that exists between the two contact surfaces. So as the temperature rises, the paste may start to flow sideways, but it can still increase in thickness as the materials move apart due to thermal expansion.

Pump-out and dry-out

Elastic reaction
The elastic component of the paste can cause it to attempt to retain its original shape when stretched by thermal expansion. As the temperature rises and the adjacent materials expand, the paste can develop a restoring force that favors an increase in thickness.

Reduced support function, pump-out and bleeding

At high temperatures (and pressures), there is another important factor for the development of the so-called pump-out effect: the loss of the support function. This is because at high temperatures the paste can become softer and less resistant to pressure loads. However, if the paste is less viscous, it offers less resistance to “bleeding” or lateral displacement. At the same time, the paste can expand upwards (i.e. in thickness) due to the reduced viscosity and thermal expansion of the material.

Decomposed and dissolved thermal paste

The “bleeding” of thermal pastes refers to the leakage of liquid components from the paste over time. The liquid that bleeds is usually the oil or carrier that holds the solid particles (such as metallic or ceramic fillers) in suspension in the paste. The heat can cause the liquid components of the paste to become less viscous and separate from the solid fillers, causing the liquid to bleed. This may be due to poor mixing of the components or the use of inferior oils and fillers. Caution: If too much paste is applied, there is a higher chance that the excess will separate and bleed. A thin, even layer is normally sufficient to ensure optimum heat transfer.

In some cases, and with lower quality pastes such as Thermal Hero Quantum, the release of gases trapped in the paste can also play a role at high temperatures, most notably in a change in behavior after several cycles have been completed. When these gases are released, they can form bubbles within the paste and lead to an increase in BLT.

Change in material properties

The material properties of the thermal paste, such as cohesion and adhesion to the contact surfaces, can change with increasing temperature, which in turn has a very negative effect on the interface resistance. At higher temperatures, degradation or chemical changes can also occur, causing the paste to swell or change its structure. Some materials that make up the thermal paste can start to decompose or react chemically at higher temperatures. This can also cause the paste to increase in volume and the BLT to increase. Like many materials, thermal pastes can also age over time. The chemical structure of some components of the paste can change over time, which can lead to separation of the components. This is particularly common with pastes that use silicone oil as a carrier, as silicone oils tend to oxidize and become volatile.

Development of shear forces

An increase in temperature often results in shear forces within the paste, especially if the surfaces (heatsink, die/IHS) have different coefficients of thermal expansion. This can lead to thermal stresses developing and the paste also being stretched in thickness while the surfaces move relative to each other.

Thermal Hero Ultra “Bubble Tea”

Summary and conclusion

The bondline thickness (BLT) increases with increasing temperature mainly due to the thermal expansion of the materials, the decrease in viscosity and the associated softening of the paste, the release of gases and bubble formation as well as the change in material properties and the effect of shear forces. All of these effects can reduce thermal efficiency, as a thicker heat conducting material has a higher thermal resistance (thermal resistance Rth).

It is precisely this behavior of the heat-conducting paste that also leads to constant degradation, which is faster or slower depending on the composition. Nobody except the manufacturers can be expected to carry out tests with 1000 or more cycles, but if you are testing thermal pastes as a reviewer, you should also carry out at least three longer cycles of warming up and cooling down in the “real-world tests” before determining a measurement result. This is because poor pastes in particular will quickly fall through the cracks and won’t confuse the reader with performance explosions that are only available for a short time.

If you measure with test setups whose tolerance limit is already at least 1 to 2 Kelvin, then you should at least include the degradation factor. Although this increases the time required enormously, it also ensures that posers such as the Thermal Hero Quantum can be reliably identified and then correctly classified. I don’t really want to write any more about this, because it’s already enough. Just to give you food for thought as to why some pastes can no longer deliver what they promise on closer inspection and why my results may differ from others at first glance.

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pinkymee

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Moinse :) Ein sehr sehr guter Artikel. Extrem aufschlussreich und verständlich geschrieben. Danke Igor!

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pinkymee

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Und nicht nur nach Deinem Hinweis hatte ich eh vor, meine kleine Ausus Grafikkarte neu zu bepasten ;)
Wer hätte gedachte, dass Wärmeleitpaste mal so unser Leben beschäftigt? Ich bin sehr dankbar für das alles hier!
Es klärt auf, verhindert falsches Denken und zerstört schwachsinnige Mythen. Ich liebe es :D
Kaum etwas ist schlimmer als sau dämliches YT oder TikTok Gelaber ...... es ist einfach nicht mehr zu ertragen.
Aber .... so ist es leider.

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XXL

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dem kann ich mich nur anschliessen-Danke :coffee: (y)

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big-maec

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Jetzt hoffen wir mal, dass der Artikel auf allen Seiten zum Nachdenken anregt.

@Igor Wallossek wenn du jetzt mit so viele WLPs einen Test machst, machst du dir da auch schonmal Gedanken über eine eventuelle Belastung von Schadstoffen in den Silikonölen, die bei Erwärmen in die Atemluft gelangen könnten?

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Igor Wallossek

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Ich habe mittlerweile Vollklima und seit jeher eine gute Entlüftung. Der Tima steht ein paar Meter weg und ich habe mir eine Fernsteuerung und Überwachung gebaut, sodass ich nicht daneben stehen muss. Das Case ist zudem verschlossen. Beim Laser halte ich meine Nase auch weit weg :D

Silikonhupen sind gefährlicher :D

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echolot

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Der Abfall der Wärmeleitfähigkeit ist hier schon krass. Gelb = Idle. Blau = Vollast. Nach 6 Zyklen geht die aber schon gewaltig in die Knie. Testeterei Ist aufwendig, aber extrem aufschlussreich. Anhand der Zusammensetzung sollte ein Trend vorhersagbar sein.

View image at the forums

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Igor Wallossek

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10,753 Kommentare 20,338 Likes

De Kurve flacht zwar ab, aber nach den üblichen 1000 Zyklen sollte von der Paste nichts mehr übrig sein.
Nur für die paar Kurven hat das hier insgesamt 18 Stunden gerödelt. Den Strom sponsert einem keiner. :D

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echolot

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Aber bitte nicht lasern. :D

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eastcoast_pete

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Auf die Reaktion der GPU OEMs (Boardpartner) bin ich jetzt schon gespannt!
Übrigens war CPU und GPU/KI Beschleuniger Kühlen, allerdings mit Fokus auf Serverfarmen und ähnliche Anlagen, auch ein Thema bei der diesjährigen Hot Chips Konferenz, die gerade stattfindet.

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Igor Wallossek

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Ich weiß. Ich liege mit dem Thema voll im Trend und mache eigentlich auch nichts ohne langfristige Planung und Ausrichtung. :D

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pinkymee

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Was verbraucht die Maschine pro Stunde?

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DigitalBlizzard

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3,077 Kommentare 1,954 Likes

Danke @Igor Wallossek , solche Artikel sind extrem hilfreich, damit der User versteht, was taugt und was nicht und vor allem warum.
Diese katastrophale Degradation wäre auf eine teuren hochwertigen Grafikkarte ein Supergau.
Der User sieht die ersten Temps und glaubt sein Paste sei gut, und bekommt unter Umständen gar nicht mit, dass die Wirkung schon nach wenigen Tagen massiv nachlässt.
Das ist nicht nur Ärgerlich, sondern sogar gefährlich.
Gerade auf Grafikkarten ein absolutes NoGo.
Deswegen empfehlen wir ja auch den Blick in Richtung Haltbarkeit zu richten, auf GPUs am besten minimal degradierende PCMs zu nutzen, die über lange Zeit eine konstante Wirksamkeit gewährleisten.
Den schnellen Blick nur auf die ersten Temperaturen zu richten kann einen die Hardware kosten.
Frische Paste performt oft ein paar K besser als manche Pads, aber das dreht sich in einem solchen Fall wie mit der Heldenmumpe schnell ins Gegenteil, und dann ist der Ärger groß.
Solche Blender die mit Eimer Messungen ohne Druck absurde W/mks erreichen sind generell mit Vorsicht zu genießen, jeder der mit solchen W/mks bei Pasten wirbt, kann eigentlich pauschal aussortiert werden, da würde nix real getestet , alles nur Marketing und wenn man bedenkt das man für so ein Zeug bis zu 8€/g bezahlt, kannst Dir auch von Esoteriker nebenan ne Flasche "Hexagonalwasser " kaufen und das nutzen.

Und deswegen muss man auch vor den Tests warnen, die im Netz kursieren, natürlich sind die mit ein paar normalen Runs mit frischer Paste gemacht, und performen, wenn man das Ganze mal eine Woche durchziehen würde, würden solche Pasten durchfallen.

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Klicke zum Ausklappem
Igor Wallossek

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TIMA + Chiller + VHX + Klima rund 2 bis 2.5 kWh, je nach Arbeitsvorgang.
Aber die Geräuschentwicklung ist schon enorm, wenn man alle Schallquellen einem Raum hat.

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pinkymee

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Heftig! Das ist mal ne Ansage!

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DigitalBlizzard

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Ich sag ja, ein Königreich für nen eigenen kleinen Kernfusionsreaktor.

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RedF

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Habe mir das Pump out immer so vorgestellt:
1. Es wird heiß, Kühler und Paste dehnen sich aus, die Paste braucht Platz, also quillt sie an den Seiten raus.
2. Es wird wieder kalt, und wie das so ist, bleibt ein teil der ausgedehnten Paste neben dem Kühler/IHS/DIE wo sie sich so schön ausbreiten konnte.

Hätte nicht erwartet, dass sie genug druck, nach oben/unten hat um kühler/TIMA zu verdrängen.

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DigitalBlizzard

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3,077 Kommentare 1,954 Likes

Gibt einen Silikoneffekt, den kann Igor aber besser erklären, der das ganz massiv vorantreibt.
Silikon degradiert physisch ( Massenverdrängung )und chemisch ( Zersetzung und Ausgasung ), deswegen sind gute Mischungen auch nicht mal eben so gemacht. Du hast ein extrem kleines Spektrum an Matrix und Füllstoffen, die eine ausgewogene Mischung zwischen Haltbarkeit und hoher Wirksamkeit gewährleisten.
Änderst an diesem Verhältnis in irgendeine Richtung etwas, geht Leistung runter und Degradation hoch.
Und deshalb ist eine hochwertige Matrix und gute Füllstoffe so wichtig.
Haste ne schlechte Matrix mit groben und schlecht verteilten Füllstoffen, werden sogar physisch unproportional die wärmewirsamen Stoffe gleich zu Beginn verdrängt, übrig bleibt Wirkungslose Silikonpampe

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F
Freelancera1

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Ich hoffe, du hast eine Solaranlage, die würde sich bei dem Stromverbrauch schneller amortisieren.

Wir reden hier über Pasten, die wir als User oder auch schon der Hersteller aufträgt. Bei der CPU wird zwischen Deckel und dem Chip ebenfalls WLP aufgetragen. Hast du eine Möglichkeit, so eine Paste mal unter deine Materialanalyse zu packen? Denke für einen Test wird es zu wenig Paste sein.

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Igor Wallossek

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Ja, das reicht leider nicht. Hier müsste man wohl schon mindestens 5 CPUs köpfen, solange es herkömmliches TIM und kein Flüssiglot ist.

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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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