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Real laboratory tests of thermal pastes on igor’sLAB – Part 2 – First comparative measurement with 2 expensive pastes

Yesterday we already had the big theoretical part, today we are doing a practical measurement with two selected pastes, whereby the paste that is nominally better on the data sheet is actually the “worse” one in the test and vice versa. Of course, the factor of potential long-term durability also plays a role, which may put the result into perspective. So let’s take a look. I have named the pastes “Reference” and “Gaming Paste A” because I don’t want to spoil the fun of the individual tests later on. You’ll soon find out which is which. And I’m not using the reference paste as a reference without good reason, as it’s basically an unadulterated industrial paste with guaranteed consistent quality, which I wouldn’t bet on with the usual bottlers.

But today we will see what else I can do and evaluate with the values determined by TIMA5. That’s quite a lot. And the good thing about it: all the measurements are reproducible and you would already recognize blatant errors from the curves of the thermal resistances, whose curves are ideally linear. At least until the paste falls apart if too much pressure is applied.

The effective thermal resistance is the most important factor of all

Let’s start with the most important aspect, the thermal resistance. I already explained this to you in detail yesterday. The most important property is that this correlates nicely linearly with the layer thickness, while the thermal conductivity describes a completely different curve and remains anything but linear. But more on that in a moment.

We are interested in layer thicknesses of 100 µm and below, everything else is really for the gallery. Some manufacturers also state the pure, idealized bulk value here, but this is so unworldly that it makes you want to cry. We can see from the graph that the paste specified in the data sheet with 9.7 W/(m-K) performs better than the paste with the supposed 17 W/(m-K). The thermal resistance of the Gaming Paste A is significantly lower and we will see at the end what this could mean when extrapolated to a CPU with the same heat dissipation.

In the data interface, you can check the determined values again and deselect the deviating values (here everything from 25 µm downwards) for the determination. At this layer thickness, the paste already showed slight signs of dissolution. For whatever reason. The slightly poorer reference paste did not show this behavior. But more on this in a moment.

But at least I wanted to know how far you can go with proper pressure (I could have pressed the whole thing with 300 N, but then nothing changes) and what minimum layer thicknesses can still be achieved. The gaming paste A is significantly “muddier” than the reference, but it has to make do with less heat-conducting small filling particles of zinc oxide. What does less mean, it has none at all. The winner is the polymer pad as a phase change material (PCM), which is truly unique.

The effective thermal conductivity is only an accessory

I already wrote that you can hardly recognize or compare anything on the basis of thermal conductivity, because we only see a few curves here. Anyone who now believes that thermal conductivity is a constant value is very much mistaken. But I already explained this at length in yesterday’s basic article. Yes, everyone is clamoring for it and that’s why I include it in the tests, but if you have Rth, you don’t need λeff, i.e. the thermal conductivity. And the pure specification for the idealized bulk value even less so.

We will see on the next page whether the difference between the two pastes is really as great as the curves here suggest.

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eastcoast_pete

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👍🏻Interessant, und auch gut zu sehen, daß Dein Nachwuchs auch schon Interesse zeigt!
Take-Home für mich von dem ersten Test: eine gut zu verarbeitende Paste, die eine gleichmäßige und dünne Schicht zwischen Heatspreader und Kühler ergibt, ist Wunderpasten mit hohen Zahlen durchaus gewachsen. Und wahrscheinlich deutlich billiger.

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DrDre

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Sehr schön, bin gespannt (y)
Die 17ner Paste ist nicht zufällig die Apex?

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echolot

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In welchem Temperaturbereich kannst Du testen? Da ergeben sich ja noch viele Optionen außerhalb des typischen Anwendungsbereichs. "Ich geb Gas ich hab Spaß" :D

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Igor Wallossek

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Der Chiller schafft nur minimal -10 Grad, aber nach oben ist das Limit bei 275 °C am Heater. Und aktuell bei 300N auf den 1 cm²
Ergo bekommt man eine Paste auch schon mal auf 125 °C -> Härtetest

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Igor Wallossek

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Auflösung am Donnerstag :D

Wie kommen die Hersteller zu solchen Zahlen? Man nehme ein ganzes Fass Wärmeleitpampe... Je mehr Pampe und umso weniger Kontaktfläche, umso höher die Werte :D

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echolot

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Also rein theoretisch wäre damit dann auch der Anpressdruck auf die CPU/Die zu simulieren, wobei ich jetzt nicht genau weiß was so die gängigen Anziehdrehmomente der Kühler bzw. wie groß der daraus resultierende Druck ist. Auf jeden Fall eine schöne Sache mit vielen Möglichkeiten.

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Igor Wallossek

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Intel 500N, das das überbiete ich locker, da ja die Fläche kleiner ist. 😎

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Beschi

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Moin,
Hat Roman schon ein Thermal-Pad gesponsert? Bin sehr gespannt wie sich das bei unterschiedlichen Drücken verhält.
Gruß Beschi

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echolot

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Genau. Kraft pro Fläche = Spannung (hier Druck)

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Igor Wallossek

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Ich bekomme diese Woche noch das komplette Portfolio. :)

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Martin Gut

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Ein wichtiger Unterschied ist dann aber noch, dass hier zwei ebene Flächen aufeinander gepresst werden. Bei einer CPU oder GPU hat man immer eine Wölbung. Dadurch hat man (meist) in der Mitte einen hohen Druck und eine sehr dünne Schicht und gegen aussen wenig Druck und eine höherer Schichtstärke. Da diese bei jedem Prozessor anders ist, kann man so etwas nicht mit einem standardisierten, vergleichbaren Test messen. Ein Test kann immer nur einzelne Situationen testen die dann mit den Bereichen auf einem Prozessor mehr oder weniger vergleichbar sind.

Die Aufteilung in Kontaktwiderstand und Leitfähigkeit ist aber auf jeden Fall ein grosser Schritt das ganze etwas genauer zu betrachten und nicht nur mit beliebigen Werten um sich zu werfen die nichts aussagen. Dadurch kann man auch Aussagen machen, welche Paste bei welcher Dicke ungefähr wie gut sein wird.

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Igor Wallossek

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Ich persönlich arbeite nur mit Rth und Rth eff, alles andere ist Kokolores :D

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Saschman73

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Schön langsam sollte die Industrie das Problem mit konkav und konvex in der Produktion besser in den Griff bekommen!
Toleranzen von unter 0,02mm sollten doch eigendlich nicht so ein riesen Problem sein, sollte man zumindest glauben.

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big-maec

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Soweit ich weiß, hat nur der Heatspreader die konkave oder konvexe Fläche. Damit dürften die meisten GPUs wegfallen. Meine GTX 470 hat aber noch einen. Wenn es geht, fliegt der Heatspreader bei mir eh runter.

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echolot

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Mir gehtes hier in erster Linie um die Auswirkung von Druckänderungen auf das hier genannte (she Artikel Teil 1, Seite 2)

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echolot

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Wegen annhähernd linearem Verlauf von Rth und zu vielen Variabeln (Gefüge, Korngröße, Druck, Homogenität), die die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen?

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Gregor Kacknoob

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Geilo, was ein feuchter Traum. Hoffentlich wird auch Zahnpasta getestet :D

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Martin Gut

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Die Biegung entsteht durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Silizium und der Platine. Man bringt die Lotpaste auf die Platinen auf. Dann setzt man die Chips darauf. Alles zusammen wird dann in einem Ofen langsam aufgeheizt bis das Lot bei 160 bis 190 Grad verschmilzt. Dann lässt man es wieder langsam abkühlen. Das Lot erstarrt und Platine und Chip sind verbunden. Alles zusammen kühlt nun langsam wieder ab. Dabei ziehen sich Platinenmaterialien viel stärker zusammen als das Silizium des Chips. Darum verbiegt es die Chips nach oben. Wie stark hängt von der Grösse des Chips und des Platinenmaterials ab. Natürlich versucht man Materialien zu finden, die sich nicht zu stark zusammen ziehen. Es ist ja nicht nur die Wölbung problematisch sondern auch die Spannungen in der Lotschicht. Das Platinenmaterial muss aber auch noch viele andere Anforderungen möglichst gut erfüllen so dass die Wahl nicht so einfach ist. Ein Hersteller muss alle Kriterien im Auge behalten und nicht wie wir nur auf die Kühlerauflage achten. Ich bezweifle auch, dass es ein Platinenmaterial gibt, das eine ähnliche Ausdehnung wie Silizium hat.

Es gibt Freaks, die ihre CPUs plan schleifen. Für einen Hersteller ist das aber auch nicht so einfach. CPUs sind oberflächlich beschichtet damit keine Stoffe durch das Silizium in den Prozessor migrieren können. Man müsste die Schutzschicht also wieder neu aufbringen nachdem man den Chip geschliffen hat. Ich weiss nicht, was das für eine Beschichtung ist. Ich vermute eine aufgedampfte Metallschicht. Das lässt sich bei einem verbauten Chip aber nicht mehr machen.

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Klicke zum Ausklappem
Martin Gut

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8,133 Kommentare 3,845 Likes

Das hat Igor doch schon gemacht: :p

Viel mehr wird man da auch mit der teuren Anlage nicht herausfinden.

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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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