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

From thermal resistance to thermal conductivity

Of course, you also need to know what thermal resistance is and how to calculate thermal conductivity from it. And that’s why I have to torture you for a moment. In order to convert the thermal resistance Rth into the thermal conductivity λeff, you need to know some parameters of the material and the geometry. The thermal resistance and thermal conductivity are linked by the thickness of the material and the area through which the heat flows.

  • The thermal conductivity (λeff) is given in watts per meter and Kelvin (W/(m-K))
  • The thermal resistance Rth) is given in Kelvin per Watt (K/W)
  • Thickness of the material (d) in meters (m) (also referred to as BLT or bond line thickness)
  • Area (A) through which the heat flows in square meters (m²)

The thermal resistance for a flat material is easy to calculate:

If the thermal resistance Rth, the thickness d and the area A are known, as in my measurements, then you can rearrange this formula to calculate effective thermal conductivity λeff:

Now we can do a real example calculation for an exemplary phase change pad made of a pure polymer, where the thermal resistance is extremely dependent on the test settings (see next paragraph):

Thermal resistance Rth 0.06162 K/W
BLT (thickness) 0.00000686542 m (6.86542 µm)
Measuring area (1 cm²) 0.0001 m²

Then the calculation of the thermal conductivity is λeff:

λeff= 0.00000686542 m / (0.06162 K/W * 0.0001 m² )

In this example, the effective thermal conductivity is 1.11423 W/(m-K).

Polymer pad: compressed from 100 µ to just under 7 µm at 60 PSI and 70 °C

Contact and interface resistance

The manufacturer sells the polymer pad used as an example above with 8.5 W/(m-K) and specifies ASTM D5470 as the test method (i.e. exactly what I do). A pressure of 60 PSI (41 N) is used and unfortunately the area, thickness and temperature are not mentioned. But where does the large discrepancy between the two values come from? Let’s remember my introduction on this page and the mention of all the factors with a negative influence. Here, the value of the so-called interface or contact resistance as the sum of all negative factors is already higher than the thermal resistance of the ultra-thin pad surface! If this interface resistance were now set at a good 5 mm²K/W, we would almost be back to the advertised 8 to 8.5 W/(m-K) with a lot of winking and a nice salute to marketing. The only problem is that under other, more realistic conditions, it is possible to fall far short of this value and in practice it can usually never be achieved!

I’ll take a quick look at the next page and illustrate what I actually mean in cross-section. We can see that the effective thermal resistance affects both the material and the two contact surfaces. Yes, there are very sophisticated methods, including pulsed lasers, which can also evaluate the pure bulk value very accurately, but in practice we ALWAYS have contact surfaces. I use reference bodies with a standardized (low) roughness for the measurements so that I can also draw conclusions from these in practice. In the end, I have two values, the effective thermal conductivity and a value averaged over all measuring points of the different layer thicknesses BLT minus the extrapolated contact resistance.

And now comes the real problem: Since the thermal resistance should be linear depending on thickness, pressure and temperature, as long as the material does not dissolve (which would of course also be an important finding), it is possible to give a single, generalized bulk thermal conductivity for all measuring points, but this ONLY applies to the one measured test series and its conditions. Conversely, the conclusion is that without information on surface area, temperature and reference bodies, such values are useless because they are not comparable! Therefore, the values that I can determine with the TIMA5 for each material under the same conditions are at least very comparable among themselves, even if they are often much lower than the manufacturer’s specifications. Let’s take a look at the curves for Rth and λeff for an inconspicuous, industrial silicone paste in the form of DOWSIL 340 with a stated thermal conductivity of at least 0.67 W/(m-K):

This product is honest, as the value matches the specifications. The extrapolation of the bulk value at exactly 70 °C sample temperature is 0.841 W/(m-K), which is even higher than the specified minimum value, which is honest and good. Of course, you can always do more, but please don’t do less! Of course, I know that buyers love big numbers. That’s why I ordered various industrial pastes with guaranteed and, above all, known thermal conductivity as comparison samples, whereby I took a series measurement for each paste with different layer thicknesses and one with different forces.

For the classification and evaluation of the pastes and pads, however, I will, like the industry, prefer the cleanly measured effective thermal conductivity and my own bulk estimations and not the fair-weather bulk value from the data sheets. Because I must also mention one thing here: the figures that I can now determine are used to design and continuously develop such materials. And it remains comparable! You will see how I measure and arrive at the effective thermal conductivity on the next page, where I explain the measuring method and the technology of the TIMA5.

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GrafBerzerek

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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

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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

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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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