Basics Cooling Reviews

Depth examination of thermal paste (ArcticMX-4): Searching for snake oil with scanning electron microscope and X-ray spectroscopy. What’s inside?

To describe it in detail, otherwise the headline would have been too long: Today, we will use the field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) to analyze in more detail what is really inside one of the most popular (and also cheaper) thermal pastes in the form of the Arctic MX-4. The background is clear, because on the one hand I would like to know why exactly this product is so long-term stable and yet still cheap, and on the other hand the technical challenge was also quite interesting.

 Of course my sincere thanks in the first place goes to one of my industry partners, where the applicable investigations and also the necessary technical preliminary work were realized selflessly and in their free time. Additionally there were the technical consulting and practical implementation of the tests, which are somewhat alien to the industry. Unfortunately, we cannot and are not allowed to offer you original pictures from the lab for understandable reasons of secrecy in such areas, but the product pictures will certainly make do anyway.

Symbol image of the GeminiSEM 500 used (Source Carl Zeiss)

The way to the finished analysis was not so easy and we already had exciting discussions in the forum on the pre-published images of the scanning electron microscope (SEM), because some of our readers come from very related industry fields. However, we are not a science magazine here, but want to reach as broad a mass as possible and also convey some background knowledge without the reader despairing at the very first paragraph. That’s why I had to break the following down very far, but I hope that it will be more understandable this way and that the experts will forgive me in exchange.

Scanning Electron Microscope (SEM)

For the sake of simplicity, I’ll stick with SEM, although the German substitution REM (for scanning electron microscope) is, after all, synonymous. But since these abbreviations also appear in the product names, I’d better leave it at the original. I will leave aside the different ways of image generation like resting or scanning electron microscopy, as well as the realization via transmission (TEM, STEM) or backscattering (SEM), because we primarily rely on a reflection microscope and some of the methods may even overlap. Basically, it is a complex electron optics system in which a combination of electromagnetic and electrostatic lenses guide a fine electron beam as a raster over the rectangular object area to be tested. The final image is created by the synchronous registration of a triggered or alternated electron beam signal.

There are methods that rely primarily on the secondary electrons (SE), but we are mainly interested in the backscattered electrons (BE or BSE), whereby the image of the MX-4 above shows the BE very nicely contrasted. By way of explanation, these BEs are those electrons from the primary beam which are then elastically scattered from the hit atomic nuclei in the nanometer range below the object surface. The amount of backscattered electrons is in direct proportion to the average atomic number of the material under investigation.

Here in the picture we see the comparison of ZnO to Al. The heavier ZnO has much more electrons in the shells than Al. Thus, there is a greater probability of backscattering of primary electrons. As a result, more signals arrive at the detector. Thus, the backscatter signal already provides chemical information: the parts that appear brighter in the image have a higher average atomic number than the parts that appear darker. Otherwise, of course, the following also applies: Deeper areas of the special object appear darker, the closer ones bright, which leads to a plastic and quite contrasty image.

The measurable energy of these electrons is in the range of the irradiated primary electrons and the resulting image resolution (depending on the primary energy used) is in the micrometer range. With the help of electron backscatter diffraction (what a word), the crystallographic orientation of the crystals on a surface could also be used to determine certain material properties, but that would really be going a bit too far now.

Used Ultim®Max for nanoanalysis (Source Oxford Instruments)

But we also need another tool for our final analysis. After all, we still have to enable the scanning electron microscope used to perform special chemical analyses on the surfaces in the micrometer range. For this purpose, we use energy dispersive X-ray analysis (EDX). By combining the SEM imaging raster process with EDX, it is also possible to capture beautiful elemental distribution images (top image). For EDX, the atoms are excited by an electron beam with a very specific energy, which in turn results in X-rays with an energy characteristic of the element in question. The resulting emission is therefore used to obtain information about the composition of the thermal paste.

Of course, the whole thing is now described very simplified, but I can not spare you completely either. Yet I can reassure you, because from the next page on, also because you have held out so bravely until here, it will be easier and also more entertaining. Promised.

 

Kommentar

Lade neue Kommentare

Lucky Luke

Veteran

405 Kommentare 181 Likes

Boah...unglaublich interessante Analyse.
Vielen Dank an dieser Stelle für den (tiefen) Einblick.
Ich bin gespannt darauf, noch mehr von solchen Analysen lesen zu dürfen. Mich würde es nicht wundern, wenn hier der ein oder andere Platzhirsch in wahrsten Sinne des Wortes "abschmiert".
Auf jeden Fall hast du hiermit ein Alleinstellungsmerkmal geschaffen.
So eine tiefgründige Analyse über Wärmeleitpaste habe ich noch nirgends gelesen.
👌 Chapeau 👍

Antwort 6 Likes

Igor Wallossek

1

10,182 Kommentare 18,768 Likes

Naja, bedanke Dich bitte auch beim Labor und den großzügigen Gönner solcher Ressourcen. :)
Selbstverständlich sind solche Untersuchungen und das Teilen der Möglichkeiten mit der Allgemeinheit wie uns nämlich nicht ;)

Lass uns mal schauen, ob nicht auch mal ein Platzhirsch p(l)atzt...

Antwort 10 Likes

p
pintie

Veteran

172 Kommentare 131 Likes

Sehr spannend. Danke !
Again what lörned !

Der Vergleich mit anderen wäre wirklich interessant.

Antwort Gefällt mir

Case39

Urgestein

2,499 Kommentare 928 Likes

Irre...gibt es halt wie immer nur beim Igor💁‍♂️

Antwort 2 Likes

K
Kearvaig

Mitglied

32 Kommentare 9 Likes

Klasse, sehr kurzweilig, und auch schön geschrieben. Vielen Dank für die Mühe.
Mich persönlich würde noch ein Bild einer Kühleroberfläche im gleichen Maßstab interessieren. Damit klarer wird, in welchen Dimensionen die Paste die Vertiefungen im Kühler füllt.

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,182 Kommentare 18,768 Likes

Genau das ist ja der Sinn dahinter. Ich plane nämlich einen Grundlagenartikel zu den Oberflächen und was die zweckmäßigste Paste für welchen Zweck sein könnte ;)

Nur ist sowas für alle Beteiligten noch etwas Neuland und es muss schon ordentlich und fundiert vorbereitet werden. Ich habe sogar drei CPUs und eine GPU geopfert, dazu verschiedene Kühler... ;)

Antwort 9 Likes

v
vonXanten

Urgestein

803 Kommentare 335 Likes

Super Analyse, falls es noch mehr gibt wäre ja auch der ein oder andere Rückschluss auf das "Schlangenöl" möglich.

Auch vielen dank an die Beteiligten! Super Einblick in sonst verschlossene Welten.

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,182 Kommentare 18,768 Likes

Was glaubst Du, warum ich das mache? Um neue Freunde zu finden bestimmt nicht :P

Antwort 3 Likes

D
Don Omerta

Mitglied

47 Kommentare 34 Likes

Klasse Artikel, da ist mir die Kinnlade runtergefallen, freue mich schon auf mehr....:)

Antwort 1 Like

HerrRossi

Urgestein

6,778 Kommentare 2,243 Likes

Sehr interessant (y)

Antwort 1 Like

Lucky Luke

Veteran

405 Kommentare 181 Likes

@Igor Wallossek
Natürlich geht auch ein fettes Dankeschön an das Prüflabor samt der dahinterstehenden Belegschaft.
Ich bin gespannt, was ihr so für (böse) Überraschungen aufdeckt.
Denn im Endeffekt ist nicht alles Gold was glänzt 😎

Antwort 2 Likes

Igor Wallossek

1

10,182 Kommentare 18,768 Likes

... und Fäden zieht ;)

Antwort 2 Likes

P
Pokerclock

Veteran

426 Kommentare 362 Likes

Immer wieder aufschlussreich, wenn derartige, abartig teure, Geräte zum Einsatz kommen.

Bei WLP bin ich da immer recht pragmatisch herangegangen, auch weil gewisse Mengen im Jahr verbraucht werden. Seit Jahren nutze ich eigentlich nur die MX-2 von Arctic. Leicht aufzutragen, erfüllt ihren Job und das auch für lange Zeit ohne hart zu werden. Da verzichte ich lieber auf ein oder zwei Grad wenn ich die WLP leicht verstreichen kann und mich nicht ewig herumärgern muss. Die MX-5 ist viel zu flüssig und manche von Gelid oder TG wie Knete und deswegen kaum gleichmäßig zu verteilen. Da kann ich definitiv drauf verzichten.

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,182 Kommentare 18,768 Likes

Die "Knete" kann man warm machen und verstreichen, oder mit etwas Benzin auflösen, schön dünn applizieren und man muss nur noch warten, bis das Lösungsmittel wieder verdunstet ist. Dann hat man eine wunderschöne, dünne Schicht einer sehr guten Paste. :)

Antwort 4 Likes

P
Pokerclock

Veteran

426 Kommentare 362 Likes

Was sich leider im hektischen Werkstattalltag nicht umsetzen lässt. Aber für den Privatgebrauch guter Tipp.

Ansonsten gibt es ja noch die Gleitfreude als ultimativen WLP-Ersatz.

Antwort Gefällt mir

Epistolarius

Mitglied

33 Kommentare 5 Likes

Habe mir zuletzt auch MX-2 in der 30g Packung "gegönnt", und dafür weniger bezahlt als der Ersatz meiner vorherigen 3.5g Noctua NT-H1 gekostet hätte (und natürlich noch weniger als NT-H2 oder andere ganz teure Pasten wie Kryonaut Extreme). Der Unterschied der beiden auf einem 5900X im Alltag ist meiner Erfahrung nach zu vernachlässigen, was nicht dem entspricht, was PCGH vor 6-7 Jahren mal getestet hatte... Mich interessiert jetzt nur noch die Langlebigkeit, hoffentlich gleich oder besser als die Noctua.

Antwort Gefällt mir

P
Pokerclock

Veteran

426 Kommentare 362 Likes

@Epistolarius

Es kamen die Tage ein paar Miet-PCs mit einem 3700X und dem Boxed Wraith Prism Kühler zurück. Die vorab aufgetragene Standard-Paste von AMD/CM wird immer vorher entfernt, weil damals viel zu viel und man zu 100% die CPU gleich mit aus dem Sockel rausgerissen hat.

Die sind so wie ich den Kunden einschätze (und sie von innen auch aussahen...) täglich gelaufen und waren knapp zwei Jahre unterwegs. Die Paste war nach wie vor fluffig. Also zwei Jahre normale Nutzung ohne Wechseln ist drin.

Antwort 1 Like

Casi030

Urgestein

11,923 Kommentare 2,338 Likes

Wie schaut die Paste mit 70-80.....C°aus?

Antwort Gefällt mir

k
kleinstblauwal

Mitglied

53 Kommentare 23 Likes

Sehr interessante Untersuchung.
Wir schon beim ersten Artikel kommentiert, könnte man die Partikel noch mit PXRD untersuchen, wenn man dazu Zugang hat.
Was für die Anwendbarkeit und Langzeitstabilität sicherlich auch bedeutsam ist, sind die Eigenschaften des Silikonöls, wie Rheologie, Polymerisationsgrad (Molmasse), Verzweigungen und was sonst noch als Beimischung enthalten ist.

Was ich mich Mal gefragt habe: wenn man die Paste auf auf nicht perfekt glatte Oberflächen aufträgt, was ja im Prinzip alle Oberflächen außer direkt auf dem Die sind, hat man ja mikroskopische Lufteinschlüsse. Kann man die Benetzung und den thermischen Kontakt nicht verbessern indem man nach dem verstreichen, aber vor aufsetzen des Kühlers das im Vakuum aussen lässt, oder gar im Vakuum appliziert?

Antwort 1 Like

Danke für die Spende



Du fandest, der Beitrag war interessant und möchtest uns unterstützen? Klasse!

Hier erfährst Du, wie: Hier spenden.

Hier kannst Du per PayPal spenden.

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.

Follow Igor:
YouTube Facebook Instagram Twitter

Werbung

Werbung