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Real laboratory tests of thermal pastes on igor’sLAB – Part 1 – Measurement setup and methodology

Not all thermal conductivity is the same!

What the suppliers usually state in their data sheets is an idealized thermal conductivity (λ) or the so-called bulk thermal conductivity and it is measured (if at all) under ideal conditions or subsequently extrapolated, but without taking into account any influences of macroscopic heterogeneities or structural irregularities. In the end, however, you don’t really get very far. Let’s first compare the terms in order to understand the differences.

General or bulk thermal conductivity (λ)
Bulk thermal conductivity (often simply referred to as thermal conductivity) is a physical property of materials that indicates how well a material conducts heat. It is a measure of a material’s ability to transport thermal energy through itself and is therefore an important parameter in many thermal applications and technologies. Thermal conductivity (λ or k) is defined as the amount of heat that flows through a unit area of a material per unit time when a temperature gradient of one Kelvin per meter (K/m) is maintained along the direction of heat flow.

It is used for homogeneous, isotropic materials where the thermal conductivity is the same in all directions and over the entire material. The thermal conductivity of a material is measured under controlled conditions, usually at a constant temperature. Sometimes it is also referred to as bulk thermal conductivity, although this term should normally only be used for homogeneous materials. Alternatively, the material is idealized and simplified as being homogeneous with a defined, fixed mean value.

The measurement is typically taken in a controlled environment with a uniform temperature distribution and without taking external factors into account. However, what is missing in this value is the so-called heat transfer resistance for solid-liquid transitions (e.g. IHS-> paste and paste-> heatsink). This takes into account the way in which the heat is transferred between and not in the media involved and depends on the thermal properties of the media involved and the geometry of the transition area.

Effective thermal conductivity (λ_eff)
Effective thermal conductivity is a concept used to describe the thermal conductivity of inhomogeneous or anisotropic materials or material systems, such as those found in thermal pastes and pads. These materials usually consist of different components, each of which has different thermal conductivities. The effective thermal conductivity takes into account the influence of these different phases and their spatial distribution. The effective thermal conductivity is either measured or calculated using models or empirical formulas that take into account the geometry, distribution and properties of the individual components of the material. It is also what I will be measuring in real and complex terms from now on. The effective thermal conductivity of a material can therefore be significantly lower than the thermal conductivity of its individual components. This is due to various factors that influence heat transfer in heterogeneous materials. This is exactly what I’m coming to now.

Different materials from corundum and Zinokid to silicone create a heterogeneous paste

 

Reasons why the effective thermal conductivity is often so much lower

  • Phase boundaries and interfacial resistances:
    In multiphase materials such as pastes and pads, there are numerous interfaces between the different phases. These interfaces pose a resistance to heat transport as they often have atomic irregularities and inconsistencies in the crystal structure that impede heat flow.
  • Inclusions:
    Some thermally conductive materials contain pores or air bubbles, usually filled with air or another gas. Since air and most gases have a much lower thermal conductivity than solids, they significantly reduce the effective thermal conductivity of the material.
  • Geometric arrangement:
    The arrangement of the different phases in the material plays a major role. If the phases are arranged in such a way that the heat flow often alternates between materials with high and low thermal conductivity, the overall thermal conductivity is reduced. For the usual pastes with corundum and zinc oxide, the degree of grinding must be sufficiently optimized.
  • Influences of defects and impurities:
    Defects, impurities and contaminants in the materials can further reduce the thermal conductivity as they disrupt the orderly flow of phonons (particles carrying thermal energy). I have already found water in a paste that was caused by an outdated and partially defective system. This is not so rare.
  • Microstructure:
    The microstructure of the material, including the size, shape and distribution of the different phases, influences the effective thermal conductivity. Complex and irregular microstructures can significantly hinder the flow of heat (see also picture above). Here again, the degree of grinding comes into play, but not only.
  • Thermal barriers:
    Materials made up of different components often have thermal barriers at the interfaces between these components. These barriers can be caused by differences in thermal expansion coefficients, mechanical stresses or chemical incompatibilities and contribute to a reduction in effective thermal conductivity. This fact is very important and also explains why, for example, applied thermal paste should not be allowed to dry!
  • Economies of scale:
    In nanoscale materials or structures, the laws of thermal conduction can work differently than in macroscale materials. The effective thermal conductivity can be further reduced by quantum effects, interfacial resistances and other nanoscale phenomena. Ok, this is getting too detailed, but let’s just take note of it.

In practice, the effective thermal conductivity is often determined experimentally by testing the material and measuring the temperature difference and heat flow. These measured values are then used to calculate λeff. This is also exactly what I will implement in my measurements.

 

Kommentar

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GrafBerzerek

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54 Kommentare 8 Likes

Ich bin auf Teil 2 gespannt, Mal sehen was dann wirklich rauskommt, immer dieses warten ;) Bin gespannt.

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Igor Wallossek

1

10,441 Kommentare 19,507 Likes

Spannungskurve :D

Am Donnerstag geht dann der erste Pastentest online - meine Referenzpaste. Dann kommen viele weitere....

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e
eastcoast_pete

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1,668 Kommentare 1,007 Likes

Was ich schon jetzt sehr gut finde, ist daß Du (@Igor Wallossek ) hier eine ganze Reihe von Experten mit zu Rate gezogen hast, um Deinen Testaufbau so genau und realitätsbezogen wie möglich zu machen! Jetzt warte ich gespannt auf Teil 2. Mich würde auch interessieren, ob sich so mancher Hersteller dieser Pasten bei der Entwicklung (Formulierung) auch soviel Arbeit gemacht hat. Aber das werden wir ja auch bald sehen bzw lesen.

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ipat66

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1,409 Kommentare 1,421 Likes

… und ob die Angaben bezüglich der Wärmeleitfähigkeit irgend etwas mit der Realität zu tun haben.
Ich bin gespannt auf die Ausreißer :)
Tolles Instrument !

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echolot

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1,100 Kommentare 849 Likes

Das muss dann aber für jede Probe reproduzierbar eingearbeitet werden. Hut ab mein Lieber.

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Igor Wallossek

1

10,441 Kommentare 19,507 Likes

Ich habe sogar ein Ritual dafür. Der Rest ist kalibriert :)

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echolot

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1,100 Kommentare 849 Likes

Boah ey. Was ist mit der Kaffeepause? Sind die 20 µm vorgegeben?

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T
Techniker Freak

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49 Kommentare 6 Likes

@Igor Wallossek
Das sieht sehr interessant aus, bin auf die Ergebnisse gespannt.
Wird es einen Artikel geben in dem es um Pasten außerhalb des MHD geht?
Mich würde es interessieren wie sich so eine Paste nach MHD entwickelt. Die Theorie kann man im initialen Artikel abdecken und für die Praxis legst du dir 1 - 3 Pasten hin und testest die 1x im Jahr.

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FfFCMAD

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689 Kommentare 187 Likes

Das die ein Thermaltake THE TOWER 900 benutzen ist putzig. Ich bin ja eher für die weiße Variante, die steht nämlich neben mir

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komatös

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116 Kommentare 93 Likes

Wieso Kaffeepause? Wenn man den ganzen Tag seienm Hobby nachgeht, braucht man keine Kaffeepause. 🤪😂

Aber Spaß bei Seite, ich finde Irgors Test sehr oft aufschlußreich und vielfach ernüchternd.
Die Tests der Radiatoren zum Beispiel. Und dann frage ich mich immer, wo ist Stiftung War(z)entest? Haben die sowas nicht auf dem Radar?

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Igor Wallossek

1

10,441 Kommentare 19,507 Likes

Da ich ab 400 µm abwärts messe, will ich die Paste nicht schon zusammenpressen, bevor nicht alles aufgeheizt ist. Da reicht der kleine Spalt, denn das Test-Script fährt das dann eh allein auf 400 µm (und weiter) runter. Nenne es kleinen Sicherheitsaufschlag meinerseits. Kaffepause kann ich zwischen Punkt 10 und 11 machen. Die reicht für mehrere Tassen Kaffee, denn ich messe ja automatisiert in 25er Schritten bis 25 µm. Das Teil hat eine eingebaute Prüfung und es werden alle Sensoren solange ausgewertet, bis ich mindestens für 2 Sekunden eine stabile Wertermittlung habe. Das kann manchmal echt dauern.

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Exakt :D

Den nehmen viele, weil er sich perfekt anpassen lässt. Es ist ja noch ein kleiner PC mit verbaut (AMD APU) :)

Kostet leider mehr als ein 2024 Mercedes-Benz E-Klasse Kombi in der Basisversion :(

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echolot

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1,100 Kommentare 849 Likes
v
veitograf

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30 Kommentare 11 Likes

Ich bin gespannt auf die ergebnisse :)

@Igor Wallossek kleiner type auf seite drei bei der überschrift:

Kontakt- bzw. Interfacde-Widerstände

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big-maec

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901 Kommentare 535 Likes

Ob den Marketingleuten schon warm wird und anfangen zu schwitzen?
:unsure:

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echolot

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1,100 Kommentare 849 Likes

Das glaube ich jetzt nicht bei den "guten" WLPs. Im Großen und Ganzen passt das schon. Andere Kriterien sind mir aber schon wichtig für eine Gesamtbewertung. Z.B. Langzeitverhalten, Verarbeitbarkeit, Homogenität usw.

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DMHas

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57 Kommentare 17 Likes

Ich bin auch schon auf Pasten- und PAD-Tests gespannt. Mal sehen, wer wirklich das versprochene liefert und er nicht!

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E
Eribaeri

Veteran

128 Kommentare 49 Likes

Das ist ja mal ein Mega-Projekt und wie bereits beschrieben für die Community echt wichtig!
Gibt es denn auch irgendeine Messung für das Austrocknen der Wärmeleitpasten?
Natürlich sind einige (besonders die pinken) Keramikwärmeleitpasten echt stark, trocknen dann aber an und sind anschließend den gängigen Pasten unterlegen.
Eine solche Messung würde die Tests dann auch alltagstauglich machen. Keine Laborwerte mehr.

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m
modena.ch

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85 Kommentare 36 Likes

Typo auf Seite 4, sollten das nicht Festo-Kupplungen sein und nicht Vesto?
Es sei denn das ist was Anderes..

Aber sehr spannende Sache, so im Detail bei TIMs untersucht such ich schon lange!

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c
carrera

Mitglied

97 Kommentare 65 Likes

@Igor Wallossek: that's real passion ... chapeau

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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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