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Measure thermal pastes and pads: ASTM D5470-17 and the Nanotest TIMA5 – Correctly determine bulk and effective thermal conductivity

I will use today’s article as a reference for the devices and methodology used in the upcoming databases for thermal interface materials (TIM) and explain the entire measurement process in transparent detail based on questions from readers and objections from the forum. Of course, there will be no getting around certain mathematical formulas, but for anyone who finds this too complex, I have also created simple diagrams and schematic graphics to illustrate everything better. So don’t be afraid to read on, because it’s worth it!

Even though these methods and the calculation principles are actually trivial, I unfortunately had to realize that there are still gaps in the general approach to the problem of correctly determining the value of thermal resistances and thermal conductivities. I was also surprised that even readers who have been writing technically sound articles for years find it so difficult to deal with the low (and therefore real) values for thermal conductivity that I have determined. But it also shows that the marketing of the gaming and accessories industry works better than you might like. Of course, that’s no big deal, because you can explain everything. And that’s exactly what I’m going to do today, because we need to make a very good distinction between practical values and what is used in theory as a marketing statement.

I generally measure the thermal pastes for my articles and the database in accordance with ASTM D5470-17 and I also try to reduce most negative influences in advance. This is exactly 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 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.

I use the TIMA5 from Nanotest, a compact all-in-one benchtop 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 is virtually impossible to carry out manually. All data is saved directly to the NAS via the network. The device is recalibrated before each measurement (sensors for pressure and BLT). But what is actually behind this? We now need to find out.

Thermal resistance, interface resistance andeffective thermal resistance

Let’s start with the general description A so-called thermal resistance describes the resistance that a material offers to heat transfer. It is based on the thickness d of the material, its thermal conductivity λ andthe area A over which the heat flows:Here, the normal thermal resistance ignores the contact points between different materials, which is idealized and does not occur at all in practice. This is theory and is of no use to me in this form for the time being, because a further resistance comes into play. The so-called interface resistance arises because heat is transferred less effectively at the point of contact between two materials than in the material itself. This can be caused by uneven surfaces or incomplete contact at the interface (e.g. microscopic irregularities). For example, in PC systems where heat is transferred from a processor to a heat sink, the interface resistance can significantly increase the overall thermal resistance. We also have the factor of different media when the heat transfers from a solid to a liquid medium and vice versa

 

Let us now turn to the conceptual explanation of what I can measure. The effective thermal resistance also takes into account the interface resistance Rinterface at the interfaces between the materials, as just explained. This interface resistance occurs at the point of contact between two materials and arises due to the thermal conductivity of the materials. The effective thermal resistance is therefore determined by the sum of the normal thermal resistance of the material and the interface resistance:The interface resistance can make up a significant part of the total resistance, particularly with very thin layers (BLT, bondline thickness), especially when two materials with different thermal properties come into contact. I cannot measure this important value or read it out of the total value, but I can calculate it later.

The measurement according to ASTM D5470-17 in practice

The ASTM D5470-17 method with six temperature sensors makes it possible to precisely determine the effective thermal resistance of a TIM by measuring the heat flow and temperature distribution along the metal blocks. The interface resistance at the interfaces is also taken into account to ensure the most accurate measurement of thermal resistance. Let us now take a brief look at the schematic and practical setup of the TIMA5 and the measurement of the TIM between two test heads with three sensors each:

In this method, the effective thermal resistance of a TIM is determined between two solid surfaces that are loaded by heat flow. In the configuration with six temperature sensors, the temperature is measured at various points along the heat column in order to calculate the temperature gradient and thus the thermal resistance. A sample of the TIM is placed between two metal blocks, which are heated by a heating element at the top and cooled by a laboratory water cooler at the bottom. The heat flows through the TIM from one hot side to the cold side. Three sensors are typically located on the hot side of the TIM and three on the cold side.

The temperature distribution in the metal block follows a linear temperature curve, as the blocks are made of a homogeneous material (copper) with known thermal conductivity and have all been measured beforehand and provided with a calibration file. The temperature gradient in the metal block is now used to determine the heat flow q. This heat flow q is calculated using the measured temperature gradient in the metal block and the known thermal conductivity λ of the metal, where ΔTis thetemperature difference and is the thickness of the metal block:The temperatures directly at the top and bottom surfaces of the TIM (i.e. at the interfaces with the metal block) are extrapolated from the measurements. This provides the temperature at the interface, which is used to calculate the temperature drop in the TIM. The effective thermal resistance Rth of the TIM is simply calculated by the temperature drop ΔTTIMover the thickness of the TIM dTIM, whereby the heat flow q is known. Here, is the difference between the extrapolated temperatures on the top and bottom sides of the TIM: I can also use a curve diagram for the effective thermal resistance, which is much more relevant in practice than the bulk value (best 1o of the pastes tested so far).

Finally, the thermal conductivity λTIM of the TIM can be calculated if the heat flow and the thermal resistance are known. Here, A is the area of the TIM sample:

In a curve diagram for the effective thermal conductivity, which is actually much more relevant in practice than the absolute bulk value, it then looks like this (best 1o of the pastes tested so far). And for those who are now wondering: the thicker the BLT, the lower the influence of Rinterface, logically:

The interface resistance plays an important role in ASTM D5470-17. In addition to the thermal resistance of the TIM itself, TIMA5 always has an additional thermal resistance at the interfaces between the TIM and the two metal blocks. However, this can be determined separately by carrying out several measurements with different thicknesses of the TIM and extrapolating the results to determine the interface resistance at a bondline thickness (BLT) of 0. This is exactly what you will find out after turning the page…

 

Kommentar

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pinkymee

Veteran

118 Kommentare 126 Likes

@Igor Wallossek Danke für die sehr ausführlichen Erklärungen und Beschreibungen. Zu Deinem Fazit, da gehe ich vollkommen mit. Respekt auch für den Mut, die ganzen Machenschaften aufzudecken. Finanziell sind das Anschaffungen, davon träumen hier sicherlich die Meisten, mich eingenommen. Gut, dass Du ein MACHER bist :) und uns mit einbeziehst. Mit den uns gegebenen Möglichkeiten, versuchen wir Dir ein wenig davon zurückzugeben

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echolot

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1,177 Kommentare 919 Likes

Dieser Artikel zeigt wunderbar, warum sich Igorslab von anderen Seiten unterscheidet. Volle Transparenz, aber auch keine leichte Kost. Dank dafür. Den "harten Stoff" kann ich mir aber erst am WE reinziehen.

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big-maec

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977 Kommentare 589 Likes

Ein bisschen Wärmelehre und Mathematik am frühen Morgen, aber der Artikel musste wohl sein.:)

Ach her je, Widerstände stehen der verlustfreien Übergabe der Energie im Wege, kenne ich auch noch von woanders.:D

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Igor Wallossek

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10,840 Kommentare 20,534 Likes

Das Problem ist das gefährliche Halbwissen, das man auf z.B. auf Reddit und leider zum Teil neuerdings auch in unserem Form findet, wenn es um bestimmte Themen geht. Frei nach dem Motto, dass nicht sein kann, was nicht sein darf. Da wirkt sogar bei Leuten das Panscher-Marketing nach, wo man es nicht vermuten würde. Ich musste in einem Thread fast eine Seite nutzlose Diskussion löschen, weil man zwar über ein Fachthema diskutieren wollte, aber selbst so triviale Sachen wie eine simple Extrapolation nicht kannte. Das kann mein ältester Sohn bereits (Klasse 7), weil er sich dafür interessiert. Wie kann man über Themen wie dieses diskutieren, wenn schon mathematisches Trivialwissen fehlt und der Wink mit dem Zaunspfahl in Form von vielen auf einer gedachten Linie liegenden Werte nicht verstanden wird?

Wenn ich Eines gelernt habe (mal wieder), dann ist es der Umstand, dass ich mich im Forum auf keine Diskussionen mehr einlassen werde, die auf einer fachlichen Wissenslücke basieren. Ich bin auch kein Nachhilfelehrer, sondern habe nicht nur einen Vollzeitjob, sondern zwei. Da hilft nur, das Ganze für alle nachlesbar niederzuschreiben und noch einmal für Dummies zu erklären, weil Argumente sonst nicht fruchten. Das hat nichts mit Überheblichkeit zu tun, denn nicht jeder steckt tief genug in der Materie und für diejenigen betreibe ich den Aufwand wirklich gern. Aber es gibt eben auch welche, die es nicht tun, aber es glauben. Dann platzt mir irgendwann auch mal die Hutschnur. Gegen vorgefestigte Meinungen kann man im Forum nicht anschreiben, weil es am Ende nichts bewirkt und man nicht mal alle erreicht.

Die zwei Artikel eines hoffnungslos überforderten ehemaligen Mitautoren (Wasserblock, Lüfter) kosten mich heute noch Nerven, Reputation und am Ende auch bares Geld. Nie wieder mit Laien, so toll sie sich auch verkaufen mögen (und dafür nicht nur einmal bereits rechtskräftig verurteilt wurden). Und was das Equipment betrifft, so werde ich es ähnlich halten. Frickelkram bringt nichts außer Ärger und noch mehr Frickelei, zumindest auf dem Niveau, was ich anstrebe. Ich könnte mich heute noch in den A... beißen, dass ich diese Unglückskiste für die Lüfter nie selbst inspiziert und überprüft habe. Aber keine Angst, es gibt bald was Neues. Dass das jetzt solange dauert, liegt leider an der Industrie, wo eine der Hitzdrahtsonden einen rekordverdächtigen DHL-Loop vollziehen musste, bis sie endlich funktioniert. Und Danke an Aqua Computer für die aufwendige Programmierung und Anpassung der Aquasuite für das Sauermann-Steuergerät! Ehre, wem Ehre gebührt :)

Auch der verlustfreien Weitergabe von Informationen :D

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Klicke zum Ausklappem
DigitalBlizzard

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3,144 Kommentare 2,074 Likes

Wer's jetzt nicht versteht, der will es nicht verstehen, das waren gerade 2 Semester auf 4 Seiten.
Hätte ich so nen Chemie - und Physiklehrer wie Igor gehabt, wäre mehr aus mir geworden 😉
Während es sonstwo das immer Gleiche Influencer Marketing gibt, werden hier Mythen entzaubert und gründlich hinter der glänzenden Fassade recherchiert.
So geht Tech-Journalismus.

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intern

Neuling

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Hast Du ein Laborraum gemietet oder hat das heimische Sofa weichen müssen für das ganze Equipment? :>

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LEIV

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1,580 Kommentare 666 Likes

Sehr schöner und vor allem informativer Artikel. Freue mich schon auf die Datenbanken

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DigitalBlizzard

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Igor hat sich gleiche ein riesen Mehrfamilienhaus solider Bauart besorgt, Labors, Redaktion, Wohnen alles über die Wohnungen im Haus verteilt.
Das ganze, auch wenns toll aussieht, Denkmalgeschützt, da wird's Bürokratisch ein Eiertanz wenn Du die unumgängliche Klimatisierung einbauen willst.
Sowas kannste kaum im heimischen Wohnzimmer nebenbei aufbauen, es sei denn du hast ne 10 Zimmer Wohnung mit durchschnittlicher 50qm Zimmergröße.

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Fraggle1elf

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Schöner Artikel, gefällt mir echt gut. An zwei Punkten würde ich es aber etwas anders Formulieren, ob das besser ist sei dahingestellt.
Die Abweichungen der einzelnen Messpunkte von der Regressionsgerade werden in den Determinations-Koeffizienten (Bestimmtheitsmaß) zusammengefasst.
Dieser Abschnitt bereitet mir auch etwas Bauchschmerzen. Bei einer linearen Regression von 2 Punkten erhalte ich immer ein Bestimmtheitsmaß von 1, da quasi per Definition die Gerade durch die 2 Messpunkte verläuft und ich keine Abweichung von dieser habe.

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DigitalBlizzard

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3,144 Kommentare 2,074 Likes

Da klingst gleich wie ein Dipl.Ing. der Mikrofluidik und -mechanik, das solltest beruflich machen 😉
Aber bedenke, 90% der Leser sind mitnichten vom Fach, zwar versiert und interessiert, aber man muss es entsprechend versuchen vereinfacht zu formulieren.
Darf am Ende keine Masterarbeit werden.
Aber es zeigt auch, dass sich hier eben nicht das Grobzeug tummelt, sondern schon ordentlich IQ und Sachverstand anwesend ist, im Forum.
Würde sagen, da macht Igor einiges verdammt richtig.

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big-maec

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977 Kommentare 589 Likes

Nach dem Avatar erinnert mich das eher an Prof. Dr. Honigtau Bunsenbrenner

Jetzt fehlt nur noch Statler und Waldorf.

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DigitalBlizzard

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Nee, der Avatar täuscht da glaube ich ganz gewaltig, das ist extreme Tiefstapelei, ums mal im Pottjargon zu sagen, der weiß wo der Frosch die Locken hat.

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Fraggle1elf

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(y)Ok, das war ein Treffer ins schwarze. Sowas habe ich tatsächlich studiert. Ich bin zwar inzwischen etwas davon weg, aber die Grundlagen (Mathe, Physik) verlernt man ja nicht.:cool:

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DigitalBlizzard

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3,144 Kommentare 2,074 Likes

Der Bauer erkennt seine Schweine am Gang :cool:

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Fraggle1elf

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Das was aber jetzt ein Schlag unter die Gürtellinie😭🤓

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DigitalBlizzard

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3,144 Kommentare 2,074 Likes

Nee, das war nicht despektierlich gemeint, eher im Gegenteil. Ich erkenne Fachwissen und weiß in welche Schublade es gehört

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Igor Wallossek

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Und was machst Du dann mit dem Wolfgang?

@Fraggle1elf
Das mit den zwei Punkten ist mir auch klar, man braucht ja mindestens drei, allerdings hatte ich ja einige mehr, die ich dann ausgeklickt habe. Ging dann die Hand mal schneller als der Kopf. Missverständlich ja, ich habe beide Sätze noch komplettiert. Danke für den Tipp. Sonntagsarbeit sollte verboten werden :)

Dafür habe ich alter fauler Sack heute eine 4K-Kamera eingebaut, die mir die vielen Laufereien spart :)

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Igor Wallossek

1

10,840 Kommentare 20,534 Likes

Jetzt geht alles vom Schreibtisch aus...

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Und dank OBS kann ich sogar Videos machen :D

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DigitalBlizzard

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3,144 Kommentare 2,074 Likes

ich weiß nicht mehr welcher Gang das genau war, aber den Wolf hab ich mir auch schon gelaufen ;)
Die dazu passenden Wildtiere sind bei uns wieder zum Abschuss freigegeben, nachdem unser regionaler "Problemwolf" Namens Gloria sich durch sämtliche viehwirtschaftlichen Betriebe geschlemmt hat. Mitunter vier Gänge in einer Nacht, Schaf als Amuse Guele, Pony als Vorspeise, Rind als Hauptgang und zum Dessert ein Reh. Da war selbst die Forstbehörde der Meinung, entweder Glorie ist 10Meter groß, oder hat ein Rudel von 30 Tieren, oder es ist einfach der pure Spaß am Töten, die ersten beiden Punkte konnte man ausschließen, daher gabs das T-Shirt mit Zielscheibe als Belohnung.

Die Kamera macht ein verdammt feines Bild, was ist das für eine? Ich brauche nämlich auch eine.

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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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