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Measure thermal pastes and pads: ASTM D5470-17 and the Nanotest TIMA5 – Correctly determine bulk and effective thermal conductivity

Bulk resistance and bulk thermal conductivity

In order to determine the actual bulk thermal conductivity of a medium after the interface resistance Rinterface has been determined, the measured thermal resistance can be corrected to exclude the influence of the interface resistance. As we remember from the previous page, it represents the resistance created by the thermal interface between two materials and must now be subtracted from the total measurement to calculate the pure thermal conductivity of the material itself.

First we have the already known total thermal resistance Rth, total. This is made up of the interface resistance Rinterface and the resistance of the bulk material Rbulk:The bulk resistance Rbulkdepends on the thermal conductivity λbulk, the bondline thickness BLT and the cross-sectional area A of the medium:To determine the actual thermal conductivity of the bulk material λbulk, you must first subtract the interface resistance from the total thermal resistance. From this you can now determine Rbulk:Then simply rearrange the equation for Rbulk to calculate λbulk:If you have measured thermal resistances for many different bondline thicknesses BLT and have already determined the interface resistance by extrapolating to BLT=0, you can use the corrected thermal resistance Rbulk to determine the actual thermal conductivity of the material. This is particularly important in experiments or applications where accurate thermal properties of a material without the influence of interface resistance are required. Or for marketing, which is not viable without large numbers.

However, even this significantly higher value is still not in the spherical realms of the marketing cheaters that we are led to believe. Let’s take a look at the individual curve of the excellent DOWSIL TC-5888, whose thermal conductivity is stated by the manufacturer Dow Chemical as 5.2 W/m-K. And now let’s take a look at my measurement and see what was to be proven. It agrees down to the decimal place!

And now let’s compare this bulk value once again with the actual, effective values for the relevant layer thicknesses BLT from practice. This is still good, but slightly less and also increases with increasing BLT:

The disadvantages of ASTM Hotwire measurement (or how not to do it)

The ASTM Hotwire test for measuring the thermal conductivity of thermal pastes, which is actually quite inexpensive to implement, has serious disadvantages that can quickly affect the accuracy of the results. One of the main problems with this method is the potential misestimation of the actual thermal conductivity of the tested materials, which often leads to values that are far too high. One of the main disadvantages of the ASTM Hotwire test is the sensitivity of the test to the contact resistance between the thermal paste and the metallic plates.

These contact resistances are caused by unevenness on the surfaces of the plates and the imperfect distribution of the paste. Even small air bubbles or uneven layers can impair the heat flow and thus falsify the measurement results. As the test is based on the assumption that the paste conducts the heat flow evenly, such irregularities can quickly lead to systematic errors and usually do so for materials above 1 W/m-K.

Exemplary hot-wire tester up to 1 W/m-K with the vat for the test material

In addition, insufficient consideration is given to the influence of temperature gradients along the metallic plates. If the temperature distribution is not uniform, this influences the temperature measurements and leads to an inaccurate calculation of the thermal conductivity. In addition, the hotwire test can be further distorted at high temperatures due to the thermal expansion of the materials, which can also lead to incorrect results.

The often too high measured values also result from the so-called “guarded hot plate” design of the test, in which the heating of the wire can lead to an overestimation of the thermal conductivity. In practice, this means that the test overestimates the thermal conductivity of the thermal paste because the method is sensitive to local overheating of the wire. The wire generates a localized heat source that is not necessarily representative of the uniform heat transfer in real applications. The shortcomings are therefore due to a combination of contact resistance, uneven temperature distribution, and the specific test set-up, which do not always correctly replicate the real-life operating conditions of the thermal pastes. As a result, these measurements are less reliable for more conductive pastes and can significantly overestimate the actual performance of the thermal conductive materials. But they are inexpensive, as such a system ultimately costs only a tenth of the price of a proper tester.

But let’s not get into that, we want to do it properly. That’s why I’ll introduce you to the equipment we used on the next page.

Kommentar

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p
pinkymee

Veteran

119 Kommentare 130 Likes

@Igor Wallossek Danke für die sehr ausführlichen Erklärungen und Beschreibungen. Zu Deinem Fazit, da gehe ich vollkommen mit. Respekt auch für den Mut, die ganzen Machenschaften aufzudecken. Finanziell sind das Anschaffungen, davon träumen hier sicherlich die Meisten, mich eingenommen. Gut, dass Du ein MACHER bist :) und uns mit einbeziehst. Mit den uns gegebenen Möglichkeiten, versuchen wir Dir ein wenig davon zurückzugeben

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echolot

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1,177 Kommentare 919 Likes

Dieser Artikel zeigt wunderbar, warum sich Igorslab von anderen Seiten unterscheidet. Volle Transparenz, aber auch keine leichte Kost. Dank dafür. Den "harten Stoff" kann ich mir aber erst am WE reinziehen.

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big-maec

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977 Kommentare 589 Likes

Ein bisschen Wärmelehre und Mathematik am frühen Morgen, aber der Artikel musste wohl sein.:)

Ach her je, Widerstände stehen der verlustfreien Übergabe der Energie im Wege, kenne ich auch noch von woanders.:D

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Igor Wallossek

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10,842 Kommentare 20,537 Likes

Das Problem ist das gefährliche Halbwissen, das man auf z.B. auf Reddit und leider zum Teil neuerdings auch in unserem Form findet, wenn es um bestimmte Themen geht. Frei nach dem Motto, dass nicht sein kann, was nicht sein darf. Da wirkt sogar bei Leuten das Panscher-Marketing nach, wo man es nicht vermuten würde. Ich musste in einem Thread fast eine Seite nutzlose Diskussion löschen, weil man zwar über ein Fachthema diskutieren wollte, aber selbst so triviale Sachen wie eine simple Extrapolation nicht kannte. Das kann mein ältester Sohn bereits (Klasse 7), weil er sich dafür interessiert. Wie kann man über Themen wie dieses diskutieren, wenn schon mathematisches Trivialwissen fehlt und der Wink mit dem Zaunspfahl in Form von vielen auf einer gedachten Linie liegenden Werte nicht verstanden wird?

Wenn ich Eines gelernt habe (mal wieder), dann ist es der Umstand, dass ich mich im Forum auf keine Diskussionen mehr einlassen werde, die auf einer fachlichen Wissenslücke basieren. Ich bin auch kein Nachhilfelehrer, sondern habe nicht nur einen Vollzeitjob, sondern zwei. Da hilft nur, das Ganze für alle nachlesbar niederzuschreiben und noch einmal für Dummies zu erklären, weil Argumente sonst nicht fruchten. Das hat nichts mit Überheblichkeit zu tun, denn nicht jeder steckt tief genug in der Materie und für diejenigen betreibe ich den Aufwand wirklich gern. Aber es gibt eben auch welche, die es nicht tun, aber es glauben. Dann platzt mir irgendwann auch mal die Hutschnur. Gegen vorgefestigte Meinungen kann man im Forum nicht anschreiben, weil es am Ende nichts bewirkt und man nicht mal alle erreicht.

Die zwei Artikel eines hoffnungslos überforderten ehemaligen Mitautoren (Wasserblock, Lüfter) kosten mich heute noch Nerven, Reputation und am Ende auch bares Geld. Nie wieder mit Laien, so toll sie sich auch verkaufen mögen (und dafür nicht nur einmal bereits rechtskräftig verurteilt wurden). Und was das Equipment betrifft, so werde ich es ähnlich halten. Frickelkram bringt nichts außer Ärger und noch mehr Frickelei, zumindest auf dem Niveau, was ich anstrebe. Ich könnte mich heute noch in den A... beißen, dass ich diese Unglückskiste für die Lüfter nie selbst inspiziert und überprüft habe. Aber keine Angst, es gibt bald was Neues. Dass das jetzt solange dauert, liegt leider an der Industrie, wo eine der Hitzdrahtsonden einen rekordverdächtigen DHL-Loop vollziehen musste, bis sie endlich funktioniert. Und Danke an Aqua Computer für die aufwendige Programmierung und Anpassung der Aquasuite für das Sauermann-Steuergerät! Ehre, wem Ehre gebührt :)

Auch der verlustfreien Weitergabe von Informationen :D

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Klicke zum Ausklappem
DigitalBlizzard

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3,149 Kommentare 2,077 Likes

Wer's jetzt nicht versteht, der will es nicht verstehen, das waren gerade 2 Semester auf 4 Seiten.
Hätte ich so nen Chemie - und Physiklehrer wie Igor gehabt, wäre mehr aus mir geworden 😉
Während es sonstwo das immer Gleiche Influencer Marketing gibt, werden hier Mythen entzaubert und gründlich hinter der glänzenden Fassade recherchiert.
So geht Tech-Journalismus.

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intern

Neuling

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Hast Du ein Laborraum gemietet oder hat das heimische Sofa weichen müssen für das ganze Equipment? :>

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LEIV

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1,580 Kommentare 667 Likes

Sehr schöner und vor allem informativer Artikel. Freue mich schon auf die Datenbanken

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DigitalBlizzard

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Igor hat sich gleiche ein riesen Mehrfamilienhaus solider Bauart besorgt, Labors, Redaktion, Wohnen alles über die Wohnungen im Haus verteilt.
Das ganze, auch wenns toll aussieht, Denkmalgeschützt, da wird's Bürokratisch ein Eiertanz wenn Du die unumgängliche Klimatisierung einbauen willst.
Sowas kannste kaum im heimischen Wohnzimmer nebenbei aufbauen, es sei denn du hast ne 10 Zimmer Wohnung mit durchschnittlicher 50qm Zimmergröße.

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Fraggle1elf

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Schöner Artikel, gefällt mir echt gut. An zwei Punkten würde ich es aber etwas anders Formulieren, ob das besser ist sei dahingestellt.
Die Abweichungen der einzelnen Messpunkte von der Regressionsgerade werden in den Determinations-Koeffizienten (Bestimmtheitsmaß) zusammengefasst.
Dieser Abschnitt bereitet mir auch etwas Bauchschmerzen. Bei einer linearen Regression von 2 Punkten erhalte ich immer ein Bestimmtheitsmaß von 1, da quasi per Definition die Gerade durch die 2 Messpunkte verläuft und ich keine Abweichung von dieser habe.

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DigitalBlizzard

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3,149 Kommentare 2,077 Likes

Da klingst gleich wie ein Dipl.Ing. der Mikrofluidik und -mechanik, das solltest beruflich machen 😉
Aber bedenke, 90% der Leser sind mitnichten vom Fach, zwar versiert und interessiert, aber man muss es entsprechend versuchen vereinfacht zu formulieren.
Darf am Ende keine Masterarbeit werden.
Aber es zeigt auch, dass sich hier eben nicht das Grobzeug tummelt, sondern schon ordentlich IQ und Sachverstand anwesend ist, im Forum.
Würde sagen, da macht Igor einiges verdammt richtig.

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big-maec

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977 Kommentare 589 Likes

Nach dem Avatar erinnert mich das eher an Prof. Dr. Honigtau Bunsenbrenner

Jetzt fehlt nur noch Statler und Waldorf.

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DigitalBlizzard

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Nee, der Avatar täuscht da glaube ich ganz gewaltig, das ist extreme Tiefstapelei, ums mal im Pottjargon zu sagen, der weiß wo der Frosch die Locken hat.

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Fraggle1elf

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(y)Ok, das war ein Treffer ins schwarze. Sowas habe ich tatsächlich studiert. Ich bin zwar inzwischen etwas davon weg, aber die Grundlagen (Mathe, Physik) verlernt man ja nicht.:cool:

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DigitalBlizzard

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Der Bauer erkennt seine Schweine am Gang :cool:

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Fraggle1elf

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Das was aber jetzt ein Schlag unter die Gürtellinie😭🤓

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DigitalBlizzard

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Nee, das war nicht despektierlich gemeint, eher im Gegenteil. Ich erkenne Fachwissen und weiß in welche Schublade es gehört

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Igor Wallossek

1

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Und was machst Du dann mit dem Wolfgang?

@Fraggle1elf
Das mit den zwei Punkten ist mir auch klar, man braucht ja mindestens drei, allerdings hatte ich ja einige mehr, die ich dann ausgeklickt habe. Ging dann die Hand mal schneller als der Kopf. Missverständlich ja, ich habe beide Sätze noch komplettiert. Danke für den Tipp. Sonntagsarbeit sollte verboten werden :)

Dafür habe ich alter fauler Sack heute eine 4K-Kamera eingebaut, die mir die vielen Laufereien spart :)

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Igor Wallossek

1

10,842 Kommentare 20,537 Likes

Jetzt geht alles vom Schreibtisch aus...

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Und dank OBS kann ich sogar Videos machen :D

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DigitalBlizzard

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3,149 Kommentare 2,077 Likes

ich weiß nicht mehr welcher Gang das genau war, aber den Wolf hab ich mir auch schon gelaufen ;)
Die dazu passenden Wildtiere sind bei uns wieder zum Abschuss freigegeben, nachdem unser regionaler "Problemwolf" Namens Gloria sich durch sämtliche viehwirtschaftlichen Betriebe geschlemmt hat. Mitunter vier Gänge in einer Nacht, Schaf als Amuse Guele, Pony als Vorspeise, Rind als Hauptgang und zum Dessert ein Reh. Da war selbst die Forstbehörde der Meinung, entweder Glorie ist 10Meter groß, oder hat ein Rudel von 30 Tieren, oder es ist einfach der pure Spaß am Töten, die ersten beiden Punkte konnte man ausschließen, daher gabs das T-Shirt mit Zielscheibe als Belohnung.

Die Kamera macht ein verdammt feines Bild, was ist das für eine? Ich brauche nämlich auch eine.

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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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