Basics Cooling Reviews Wärmeleitpaste und Pads

A lie or a gray area? How to construct high thermal conductivity and why the information provided by sellers is almost never correct

We have discussed this many times before: The thermal conductivity figures for thermal pastes on packaging and data sheets are almost always far too high. Of course, this is also due to the fact that either unsuitable measurement methods are used or the conditions are changed in such a way that the values determined are far too high. This is exactly what I would like to take up again today, because the importers of sachets in particular blindly believe what the Chinese OEM is filling them with for a pittance. High values sell well, of course. But at the end of the day, the customer is the one who is stupid, because he can’t measure it. Today we will take a look at a paste with a legendary 17 W/m-K.

Of course, I can’t check whether anything was measured at all with this paste or whether the OEM or bag sender just agreed on a printed value for marketing purposes. But we can think about how you get such a value without firing up the dragster. Quite legally and as the result of a measurement that delivers a misleading result from the customer’s point of view, but where one could not even assume intent. Yes, there is such a thing. And far too often, because this is where the bucket of paste I keep quoting comes into play.

Cartoon of a “bucket measurement”

The disadvantages of the ASTM Hotwire measurement

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 materials tested, 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 resistances 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. Therefore, 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.

 

How to do it right

I generally measure the thermal conductive pastes for my articles and the database according to ASTM D5470-17 and I also try to reduce most negative influences in advance. This is precisely why I work with an initial layer of 500 µm after the respective calibration, which I first heat slowly to 120 °C without much pressure, then cool to 20 °C to finally heat it to the constant 60 °C of my measurements. Only then do I measure the thermal resistance or thermal conductivity under identical laboratory conditions at a constant 60 °C average paste temperature and from 400 µm downwards in steps of 25 µm.

This is done in a standardized way, whereby all interfering factors (such as die distortions or non-coplanar contact surfaces) can be excluded. Controlled surface conditions, unidirectional heat flow conditions, parallel contact surfaces and precisely known clamping forces are guaranteed. It is therefore anything but the simple bucket method of the usual suspects.

 

Correct measurement vs. simulation of an incorrect measurement

I am now also trying to measure the paste “incorrectly” by creating inappropriate conditions (temperatures, extremely high pressure and therefore a tiny Rth) and calculating this so-called bulk thermal conductivity using only a few measuring points as in the hotwire test. I also leave out the interfering points here. This comes relatively close to a “bucket test” in terms of inaccuracy. We can see the protocol of my degradation test of this paste from the packaging in the introduction from above and I also arrive at just under 17 W/m-K. But only because that’s what I want. I could easily print the result on the packaging and be delighted, but this value is completely unrealistic:

If, on the other hand, I now measure with a total of 6 temperature sensors and one for the heater, then carry out a total of 17 individual measurements with different values for the bondline thickness (BLT) (and the two test bodies on the heater and cooler have also been measured and calibrated), then significantly more accurate values are obtained. This is because each individual measurement has a threshold for the temperature windows of all 7 sensors, the BLT and the pressure over 100 samples of measurement data and must have maintained this window for ALL values for at least 2 seconds.

The effective thermal resistance generally changes linearly to the BLT, so I remove some values from the calculation that are not exactly on the imaginary line. Then, logically, I also get the correct, adjusted value for the remaining 13 measurements, which may even be slightly higher:

So this paste (Thermal Hero Quantum) has a real bulk thermal conductivity of 3.16 W/m-K and not 17 W/m-K! And now let’s compare something, as malicious as we are… Dow Chemical specifies at least 5 W/m-K for the DOWSIL TC-5550 and writes internally of up to 5.3 W/m-K. According to my method, I measure around 5.28, which should certainly be sufficiently accurate. If I were to misjudge this paste now, I would even be at an incredible 20 to 25 W/m-K. For anyone who would like to see this again in curves, here is a comparison of the thermal resistances of the Thermal Hero Quantum and the DOWSIL TC-5550:

And once again for the effective thermal conductivity taking into account the existing interface resistors:

I think that’s enough theory for one Friday, but I really wanted to get this off my chest.

 

Kommentar

Lade neue Kommentare

RedF

Urgestein

5,100 Kommentare 2,923 Likes

Habe in den letzten 20 Jahren leider schon ein paar mal erlebt,
dass an einen herangetreten wurde, ob man bei Messung XY von Probe Z nicht …

Da ... immer unausgesprochen blieb, konnte ich immer sagen, dass die Messung schon wiederholt wurde und die Werte korrekt sind ...
(mein ... bedeutet, schreib dir halt selbst ein Ergebnis, wenn dir meine nicht gefallen)

Aus einem westlichen Nachbarland kam allerdings offiziell die Aufforderung die Shore A bei 0,01 s zu messen, dort hat man eine andere Sichtweise auf Normen ^^.

Antwort Gefällt mir

Ghoster52

Urgestein

1,518 Kommentare 1,184 Likes

Pippi Langstrumpf Messungen sehen halt besser aus !!! :ROFLMAO:
Ich mach mir die Welt....

Antwort 2 Likes

e
eastcoast_pete

Urgestein

1,808 Kommentare 1,135 Likes

Wobei die Wärmeleitfähigkeit eines Stahleimers selbst durchaus ziemlich hoch sein kann - wohlgemerkt, die Leitfähigkeit des Metalls, nicht die der Pampe, die drin ist. Ich warte weiter darauf, daß die Dowsil Paste für Endkunden erhältlich ist - soll ja bald soweit sein. Dann kann geschmiert, - Pardon, aufgetragen - werden.

Antwort Gefällt mir

e
eastcoast_pete

Urgestein

1,808 Kommentare 1,135 Likes

Allerdings hat Pippi Langstrumpf nie irgendwelche Märchen über Fantasie Wärmeleitfähigkeiten erzählt, noch solche Pampen für Mondpreise verkauft 🤠.

Antwort Gefällt mir

p
pinkymee

Veteran

103 Kommentare 108 Likes

Wie heißt es auch heute noch so schön?
Vertraue keiner Statistik, die du nicht selbst gefälscht hat ;)
Für Statistik, kann man auch Messung nehmen. Sofern überhaupt gemessen wurde. Kommt aber aufs Selbe heraus.

Antwort Gefällt mir

Martin Gut

Urgestein

8,103 Kommentare 3,813 Likes

Das erinnert mich an die Abgaswertmessungen deutscher Autobauer. :rolleyes:

Antwort 5 Likes

ipat66

Urgestein

1,485 Kommentare 1,535 Likes

Oder diejenigen, welche den Verbrauch "messen" :D

Antwort 1 Like

XotusBlack

Mitglied

61 Kommentare 19 Likes

Kann man die DOWSIL TC-5550 eigentlich als normal sterblicher irgendwo erwerben ?

Antwort Gefällt mir

c
carrera

Veteran

137 Kommentare 82 Likes

das war mal Theorie in spannend. für mich sehr gut nachvollziehbar erklärt. danke @Igor Wallossek

Antwort Gefällt mir

F
FLCL

Mitglied

28 Kommentare 11 Likes

Guck dich da mal um, gerade die letzten ~10 Seiten ;).
Gibt auch einen Produkttest und demnächst sind die Produkte auch kaufbar. DigitalBlizzard wäre hier dein Ansprechpartner.

Antwort Gefällt mir

_
_roman_

Veteran

115 Kommentare 32 Likes

Danke für die Offenheit. Es erscheint mir plausibel, dass verschiedene Messaufbauten zu verschiedene Resultate führen. Auch ungeeignete Aufbauten können dann zu erhöhte Werte führen.

Antwort Gefällt mir

h
hansdampf

Veteran

337 Kommentare 109 Likes

@Igor Wallossek

Wobei man aber auch so ehrlich sein muss dass Du eben den Kontaktwiderstand mit messen tust. Nur bezieht sich aber die Wärmleitfähigkeit im physkalischen Sinn nur auf das Material und beinhaltet nicht den Kontaktwiderstand. Wissenschatlich genau genommen sind die Angaben bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in deinen Artikeln leider falsch. Denn sobald der thermale Kontaktwiderstand hinzukommt handelt es sich nicht mehr im die Wärmeleitfähigkeit des Materials, sondern thermodynamisch korrekt um die Wärmedurchgangsleitfähigkeit, die Du invertiert als thermaler Widerstand mit deiner Messapparatur messen tust. Denn den eigentlichen physikalischen Wert die Wärmeleitfähigkeit kannst Du mit deiner Messapparatur, als Temperaturunterschied zwischen zwei Kupferplatten und einer definierten Heizleistung, gar nicht messen.

Aus diesem Grund sind deine abgeleiteten Werte der Wärmedurchgangsleitfähigkeit, falsch deklariert als Wärmeleitfähigkeit, auch immer deutlich geringer als die Angaben der Wärmeleitfähigkeit von gemessenen Industriepasten.

Zwar ist deine Messmethode sehr praxistauglich, es handelt sich aber leider dabei nicht um die Wärmeleitfähigkeit. In sofern kann man der Industrie und allen anderen nicht unterstellen die würden alle pauschal falsch messen oder unehrliche Angaben verbreiten. Denn dort geht es um die Wärmeleitfähigkeit als technische Angabe im Datenblatt. Du misst aber die Wärmedurchgangsleitfähigkeit.

Antwort Gefällt mir

Klicke zum Ausklappem
R
Rooter

Mitglied

98 Kommentare 34 Likes

Theoretisch ja, praktisch für die meisten eher weniger. Es gibt einen Verkäufer in der Ukraine, der die Paste direkt von Dow Chemical bestellt und bulk abfüllt. Aber wie hier schon oft zu lesen war, gibt es bald eine Option aus Deutschland. Bei mir auf meiner Laptop CPU performt die TC-5550 noch besser im Vergleich zu anderen Pasten als es die Testwerte von Igor hergeben. Kann auch an der Schichtdicke liegen, die wird auf dem laptop größer sein als normal. Dow Chemical ist wirklich sehr gut und ehrlich.

Mittlerweile werden normale Pasten mit bis zu 22 W/m·K beworben, zum Beispiel die LK-17. Das schaukelt sich immer weiter hoch. Leider herrscht in den meisten Foren, auch in größeren wie techpowerup, immer noch sehr viel Unkenntnis. Die Marketing Wärmeleitfähigkeit wird immer noch als großes Argument genommen, das bekommt man so schnell nicht mehr raus. Und wenn ein Anbieter ausnahmsweise ehrliche Angaben angibt, wird sich über den kleinen Wert lustig gemacht.

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,789 Kommentare 20,430 Likes

@hansdampf
Das ist nicht korrekt, denn ich messe sowohl die effektive als auch die Bulk Wärmeleitfähigkeit. Alles basierend auf den einzelnen Wärmewiderständen und Übergangswiderständen. Du musst die Artikel schon richtig lesen. Und da liegen meine Werte für die Thermal Conductivity exakt bei denen von Dow. Ich weise sogar den Interface Widerstand aus. Das heißt nun mal so und ich halte mich da exakt an die Vorgaben der Hersteller. Die seriösen Hersteller distanzieren sich da genauso von den Eimermessungen wie ich diesen Unfug anprangere.

Ich unterstelle nicht allen falsche Angaben, wohl aber den Panschern. Komischerweise stimmen meine Werte nunmal mit denen von Dow, Laird oder Parker und Shin Etsu auf die Nachkommastellen überein. So etwas wie 17 W/mK ist physikalisch gar nicht mit silikonbasierten Pasten möglich.

Antwort Gefällt mir

h
hansdampf

Veteran

337 Kommentare 109 Likes

Ich kenne die Messapperatur. Um die Wärmeleitfähigkeit zu messen müsstest Du zwischen dem Kupferboden und der Kontaktfläche des TIMs einen weiteren Temperatursensor haben und den hast Du nicht. Der Temperaturgardient (um bei deiner Skizze zubleiben) zwischen T3 und T4 misst den ganzen Kontaktwiderstand inkl. TIM mit. Wie gesagt, dieser Temperatursensor müsste eine Dicke von 0 mm haben und direkt an der Kontaktfläche sitzten.

Zwar sitzen (T3 und T4) ziemlich bündig an der Kontaktfläche der Kupferplatten, trotzdem ist das aber nicht ausreichend. Da auch ein PT100 etc. einen Aufbau hat. Der Sensor müsste also in diese nicht homogenen Kontaktfläche mit quasi einer Nulldicke integriert sein.
Sieht man auch wunderbar (z.B: in diesem Artikel) an der roten Messkurve. Mit zunehmenden Abstand (Schichtdicke) wird die ermittelte Wärmedurchgangsleitfähigkeit immer besser. Und das liegt am Einfluss des thermalen Kontaktwiderstandes, der mit zunehmender Schichtdicke ein zunehmend geringern Einfluss hat. Genau deshalb sind deine Messkurven mit der Schichtdicke nicht linear. Da spielen noch weitere Faktoren mit rein, aber mit zunehmender Schichtdicke sieht man wie linearer diese Messkurven werden. Umso dicker, umso geringer wird auch dein "Messfehler".

Gut ich weiß nicht was der Hersteller Dir da für Vorgaben gemacht hat, aber ich halte es bei diesem Aufbau physikalisch vollkommen ausgeschlossen das Du exakt nur den reinen thermalen Kontaktwiderstand herausmessen kannst. Aber das kannst Du ja mal an einer reinen Silikonpaste messen deren Wärmeleitfähigkeit exakt bei einer genormten Raumtemperatur bekannt ist. Würde mich auf jeden Fall interessieren und wäre einen weiteren Artikel wert.

Ich finde es nur etwas verwunderlich warum signifikant deine Messwerte alle so gering bezüglich der Wärmeleitfähigkeit ausfallen. Gute Industrie-Pasten schaffen die 8 - 9 W/mK. Und bei Dir sind alle getesten Pasten weit weg davon.

Antwort Gefällt mir

Klicke zum Ausklappem
R
Rooter

Mitglied

98 Kommentare 34 Likes

Hä? Die besten liegen bei 5-6 W/mK. Hast du den Text zur TC-5550 nicht gelesen?

Antwort Gefällt mir

h
hansdampf

Veteran

337 Kommentare 109 Likes
Igor Wallossek

1

10,789 Kommentare 20,430 Likes

Käse, das ist keine Paste. Ich habe die Gels von Parker hier. Das klappt nur bei einer höheren BLT und wird zu Beton.

Aber manche Foristen scheinen echt klüger zu sein als die Industrie, die solche Messgeräte herstellt und die Player, die genau diesen TIMA nutzen, um damit Pasten zu entwickeln.

Wenn ich meine Ergebnisse mit Hotspot-Messungen nach ISO oder denen von Lasergeräten vergleiche, unterscheidet sich das mal in einer Nachkommastelle. Die Butzen, die Bottiche und HotWire nutzen, machen das nicht ohne Absicht.

Zur Methode gibt es einen längeren Artikel, das muss ich hier nicht wiederholen.

Antwort 1 Like

Igor Wallossek

1

10,789 Kommentare 20,430 Likes

@hansdampf
Weil viele die Grundlagenartikel nicht lesen, hier noch einmal für alle Interessierten die Kurzform: Ich messe primär keine Wärmeleitfähigkeit (die ist ja nur ein Rechenergebnis), sondern erst einmal alle Wärmewiderstände und Wärmeübergangswiderstände als Kette. Anhand der insgesamt sechs Messpunkte, also drei pro Testkörper, lässt sich über den Gradienten auch der nicht gemessene Punkt Null beider Seiten als Ende des jeweiligen Testkörpers exakt berechnen, denn das Material ist bekannt und die Positionen der Messpunkte sind es im µm-Bereich auch. Zwischen der Paste selbst und den Testkörpern hast Du (einschließlich der bekannten Rauheit als Konstante) jeweils pro Seite noch eine konstante Wärmeübergangsschicht mit dem sogenannten Interface-Widerstand.

Genau deshalb messe ich ja auch nicht nur mit einer Schichtstärke (Bondline Thickness, BLT), sondern in 25 µm Schritten bis zu 17 Mal, je nach minimal möglicher BLT und mit einer konstanten Median-Temperatur IN der Paste selbst, die sich wiederum über die ganzen Messpunkte und den Gradienten exakt ermitteln (und durch Steuerung samt Threshold) auch genau halten lässt. Ab zwei Messungen kannst Du bereits vom effektiven auf den tatsächlichen Wärmewiderstand der Paste schließen, da hier nur die BLT variiert, die beiden Übergangsschichten jedoch konstant bleiben. Je mehr Messpunkte ich jetzt zugrunde lege, umso genauer wird das Ganze.

Hier mal ein Beispiel der Messeinheit für ein Putty mit 3 mm BLT. Man sieht auch die Vorgaben für den Threshold und die Temperaturdrift, die hier noch ausßerhalb meiner Messtoleranzen liegt. Da ist dann Warten angesagt, bis alle 100 Samples zwei Sekunden lang im vorgegebenen Toleranz-Bereich liegen.

View image at the forums

Das ist alles kein Hexenwerk, sondern simple Physik und einfache Mathematik, denn der Interface-Widerstand lässt sich genau ermitteln und auch herausrechnen (siehe Bild unten). Dann erhält man die sogenannte Bulk-Wärmeleitfähigkeit.

Beispiel:
Ich habe das etwas niedriger befüllte 60HF von Parker mal getestet, das mit mindestens 6 W/mK angegeben ist. Ohne die Korrektur und das Herausnehmen der Punkte, die nicht genau auf der Linie liegen, messe ich rund 6.25 W/mK. Parker garantiert im Datenblatt mindestens 6 W/mK, schreibt aber intern auch von bis zu 6.3 W/mK, denn es gibt wie immer einen Toleranzbereich. Das, was man dann ehrlich im Datenblatt angibt, ist genau das, was die Paste im schlechtesten Fall garantiert liefern wird. Wie Du sieht, stimmt das also wirklich. Genauer kann man es nicht messen, denn Parker macht es ja genauso. ;)

View image at the forums

Das Parker-Gel ist im praktischen Einsatz für Consumer komplett untauglich und das von Dir verlinkte Gel ist so hoch befüllt, dass der Polymeranteil noch weiter sinkt. Da sind die angegebenen 7.5 W/mK durchaus drin, allerdings nicht bei wirklich niedrigen BLT Werten, die das Gel ja eh nicht schafft.

Ich habe über 500 N (!) für diese 100 mm² Thermokleber gebraucht, um diesen Mist überhaupt wieder auseinander zu bekommen. Das ist kompletter Irrsinn, denn es lässt sich auch nicht auf weniger als 150 µm zusammenpressen. Schlechtes Beispiel also.

View image at the forums

Das muss hierzu jetzt erst einmal reichen, denn es ist redundanter Inhalt.

Antwort 2 Likes

Klicke zum Ausklappem

Danke für die Spende



Du fandest, der Beitrag war interessant und möchtest uns unterstützen? Klasse!

Hier erfährst Du, wie: Hier spenden.

Hier kannst Du per PayPal spenden.

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.

Follow Igor:
YouTube Facebook Instagram Twitter

Werbung

Werbung