Basics Cooling Practice Reviews Wärmeleitpaste und Pads

Secret file thermal paste: Increasing layer thickness at high temperatures, ageing and differences in quality and their influence on benchmarks

What you always wanted to know about thermal paste, but never got a verifiable answer: How does such a paste behave when heated and what happens when it is heated and cooled several times under the usual pressure? Completely different from what most people think! That’s why I want to show you today what pitfalls can lurk when testing paste and what can happen if some influences are not known at all. It was quite a long road to realisation for me too, but I’m happy to share the results. Because suddenly you realise that everything is much more complex than it might seem. After all, the urban legend that the layer thickness (bondline thickness or BLT for short) of a thermal paste becomes thinner the warmer the paste is and that you only have to heat it long enough to burn it in, so to speak, still persists.

I’m going to disprove this today using two very differently constructed pastes. I haven’t even picked out extreme pastes, just an expensive poser in the form of the Thermal Hero Quantum and a solid budget paste in the form of the Thermalright TF8. We will also see how cheaply mixed thermal pastes change significantly after just a few intervals of heating and cooling and where the dreaded pump-out effect really comes from.

 

Important foreword

My aim today is to show effects that you cannot follow in their development without equipment and long series of measurements, but you do know the consequences as the end result. This article is intended to sensitise you and help you to see what you could do differently and certainly better with simple test setups on a CPU or GPU. I have been measuring like this myself for a long time, although 7 years ago in at least 3 cycles, because I noticed certain behavioural patterns, the origin of which I could not answer at the time. But measuring a fresh paste only once must actually go wrong and I will also explain why today.

Ageing and degradation do not only occur after weeks, but from the second cycle onwards. Measurable and differently pronounced, depending on the quality of the paste. And it’s no secret that you need a few cycles before you get a usable result. The paste does not change in its primary properties through the sheer length of a test, but only through frequent heating and cooling! And this is exactly what will change the measurement results. And because not everyone can set up a test setup like this on their desk, I’ll just let you in on my work. And I can already spoil it: it’s going to be exciting!

Test setup and measurement methods

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 down to 20 °C in order to finally heat it to the constant 60 °C of my measurements. Only then do I measure the thermal resistance or thermal conductivity from 400 µm downwards in steps of 25 µm under identical laboratory conditions. This is done in a standardised 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.

I use the TIMA5 from Nanotest, a compact all-in-one desktop device that combines the measurement setup and the required PC in one device. It is a self-sufficient and, above all, automated measurement setup that I can also run in parallel to other tasks in the background. After all, who wants to sit and watch for 6 hours or more? A test series like this can hardly be realised manually. All data is saved directly to the NAS via the network. The device is recalibrated before each measurement (sensors for pressure and BLT). I normally measure the pastes at an average paste temperature of 60 degrees and a different BLT/pressure, but today I am taking different measurements between 30 and 100 °C in order to show you possible degradation in the first few cycles in diagram form.

As this all looks a bit complex to outsiders, I have placed the individual assemblies against the functional diagram so that you know where and how the measurements already explained take place. I have already explained in detail what happens in the background and how the whole thing works in the linked basic article. I don’t need to repeat all that again. Nevertheless, a little refresher won’t do any harm here either.

I will illustrate this using the already familiar diagram so that you can better visualize the meaning of the values to be determined. 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.

External cooling is provided by a laboratory chiller from IKA, which can maintain the water temperature almost to the decimal place and which not only cools but can also reheat if necessary, so that the required 20 °C water temperature can always be strictly maintained. The hoses were connected using Festo couplings and special hoses. The room is also air-conditioned.

After so much theory, we’d better get started, so let’s turn the page and get going!

 

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pinkymee

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Moinse :) Ein sehr sehr guter Artikel. Extrem aufschlussreich und verständlich geschrieben. Danke Igor!

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pinkymee

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Und nicht nur nach Deinem Hinweis hatte ich eh vor, meine kleine Ausus Grafikkarte neu zu bepasten ;)
Wer hätte gedachte, dass Wärmeleitpaste mal so unser Leben beschäftigt? Ich bin sehr dankbar für das alles hier!
Es klärt auf, verhindert falsches Denken und zerstört schwachsinnige Mythen. Ich liebe es :D
Kaum etwas ist schlimmer als sau dämliches YT oder TikTok Gelaber ...... es ist einfach nicht mehr zu ertragen.
Aber .... so ist es leider.

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XXL

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dem kann ich mich nur anschliessen-Danke :coffee: (y)

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big-maec

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Jetzt hoffen wir mal, dass der Artikel auf allen Seiten zum Nachdenken anregt.

@Igor Wallossek wenn du jetzt mit so viele WLPs einen Test machst, machst du dir da auch schonmal Gedanken über eine eventuelle Belastung von Schadstoffen in den Silikonölen, die bei Erwärmen in die Atemluft gelangen könnten?

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Igor Wallossek

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Ich habe mittlerweile Vollklima und seit jeher eine gute Entlüftung. Der Tima steht ein paar Meter weg und ich habe mir eine Fernsteuerung und Überwachung gebaut, sodass ich nicht daneben stehen muss. Das Case ist zudem verschlossen. Beim Laser halte ich meine Nase auch weit weg :D

Silikonhupen sind gefährlicher :D

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echolot

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Der Abfall der Wärmeleitfähigkeit ist hier schon krass. Gelb = Idle. Blau = Vollast. Nach 6 Zyklen geht die aber schon gewaltig in die Knie. Testeterei Ist aufwendig, aber extrem aufschlussreich. Anhand der Zusammensetzung sollte ein Trend vorhersagbar sein.

View image at the forums

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Igor Wallossek

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10,752 Kommentare 20,338 Likes

De Kurve flacht zwar ab, aber nach den üblichen 1000 Zyklen sollte von der Paste nichts mehr übrig sein.
Nur für die paar Kurven hat das hier insgesamt 18 Stunden gerödelt. Den Strom sponsert einem keiner. :D

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echolot

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Aber bitte nicht lasern. :D

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eastcoast_pete

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Auf die Reaktion der GPU OEMs (Boardpartner) bin ich jetzt schon gespannt!
Übrigens war CPU und GPU/KI Beschleuniger Kühlen, allerdings mit Fokus auf Serverfarmen und ähnliche Anlagen, auch ein Thema bei der diesjährigen Hot Chips Konferenz, die gerade stattfindet.

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Igor Wallossek

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Ich weiß. Ich liege mit dem Thema voll im Trend und mache eigentlich auch nichts ohne langfristige Planung und Ausrichtung. :D

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pinkymee

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Was verbraucht die Maschine pro Stunde?

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DigitalBlizzard

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Danke @Igor Wallossek , solche Artikel sind extrem hilfreich, damit der User versteht, was taugt und was nicht und vor allem warum.
Diese katastrophale Degradation wäre auf eine teuren hochwertigen Grafikkarte ein Supergau.
Der User sieht die ersten Temps und glaubt sein Paste sei gut, und bekommt unter Umständen gar nicht mit, dass die Wirkung schon nach wenigen Tagen massiv nachlässt.
Das ist nicht nur Ärgerlich, sondern sogar gefährlich.
Gerade auf Grafikkarten ein absolutes NoGo.
Deswegen empfehlen wir ja auch den Blick in Richtung Haltbarkeit zu richten, auf GPUs am besten minimal degradierende PCMs zu nutzen, die über lange Zeit eine konstante Wirksamkeit gewährleisten.
Den schnellen Blick nur auf die ersten Temperaturen zu richten kann einen die Hardware kosten.
Frische Paste performt oft ein paar K besser als manche Pads, aber das dreht sich in einem solchen Fall wie mit der Heldenmumpe schnell ins Gegenteil, und dann ist der Ärger groß.
Solche Blender die mit Eimer Messungen ohne Druck absurde W/mks erreichen sind generell mit Vorsicht zu genießen, jeder der mit solchen W/mks bei Pasten wirbt, kann eigentlich pauschal aussortiert werden, da würde nix real getestet , alles nur Marketing und wenn man bedenkt das man für so ein Zeug bis zu 8€/g bezahlt, kannst Dir auch von Esoteriker nebenan ne Flasche "Hexagonalwasser " kaufen und das nutzen.

Und deswegen muss man auch vor den Tests warnen, die im Netz kursieren, natürlich sind die mit ein paar normalen Runs mit frischer Paste gemacht, und performen, wenn man das Ganze mal eine Woche durchziehen würde, würden solche Pasten durchfallen.

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Klicke zum Ausklappem
Igor Wallossek

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TIMA + Chiller + VHX + Klima rund 2 bis 2.5 kWh, je nach Arbeitsvorgang.
Aber die Geräuschentwicklung ist schon enorm, wenn man alle Schallquellen einem Raum hat.

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pinkymee

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Heftig! Das ist mal ne Ansage!

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DigitalBlizzard

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Ich sag ja, ein Königreich für nen eigenen kleinen Kernfusionsreaktor.

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RedF

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Habe mir das Pump out immer so vorgestellt:
1. Es wird heiß, Kühler und Paste dehnen sich aus, die Paste braucht Platz, also quillt sie an den Seiten raus.
2. Es wird wieder kalt, und wie das so ist, bleibt ein teil der ausgedehnten Paste neben dem Kühler/IHS/DIE wo sie sich so schön ausbreiten konnte.

Hätte nicht erwartet, dass sie genug druck, nach oben/unten hat um kühler/TIMA zu verdrängen.

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DigitalBlizzard

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3,077 Kommentare 1,954 Likes

Gibt einen Silikoneffekt, den kann Igor aber besser erklären, der das ganz massiv vorantreibt.
Silikon degradiert physisch ( Massenverdrängung )und chemisch ( Zersetzung und Ausgasung ), deswegen sind gute Mischungen auch nicht mal eben so gemacht. Du hast ein extrem kleines Spektrum an Matrix und Füllstoffen, die eine ausgewogene Mischung zwischen Haltbarkeit und hoher Wirksamkeit gewährleisten.
Änderst an diesem Verhältnis in irgendeine Richtung etwas, geht Leistung runter und Degradation hoch.
Und deshalb ist eine hochwertige Matrix und gute Füllstoffe so wichtig.
Haste ne schlechte Matrix mit groben und schlecht verteilten Füllstoffen, werden sogar physisch unproportional die wärmewirsamen Stoffe gleich zu Beginn verdrängt, übrig bleibt Wirkungslose Silikonpampe

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F
Freelancera1

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Ich hoffe, du hast eine Solaranlage, die würde sich bei dem Stromverbrauch schneller amortisieren.

Wir reden hier über Pasten, die wir als User oder auch schon der Hersteller aufträgt. Bei der CPU wird zwischen Deckel und dem Chip ebenfalls WLP aufgetragen. Hast du eine Möglichkeit, so eine Paste mal unter deine Materialanalyse zu packen? Denke für einen Test wird es zu wenig Paste sein.

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Igor Wallossek

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Ja, das reicht leider nicht. Hier müsste man wohl schon mindestens 5 CPUs köpfen, solange es herkömmliches TIM und kein Flüssiglot ist.

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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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