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What’s inside? Heatsink, heat pipe and cooling fins of the Rajintek Morpheus in material analysis | Issue 3

31. August 2023 06:00
Igor Wallossek

Since I get requests again and again, from which material what exactly consists and it is now possible for me with manageable effort to answer such questions, I start today retroactively just a new series of articles, which can be continued at will. No matter whether coolers, heatspreaders of CPUs, various pastes and pads, cables and connectors, case parts and much more – there are actually hardly any limits to the imagination. And because I just cleaned the part and want to store it again, the Raijintek Morpheus is my first test object today, even though I have already tested power supplies and cables. But you have to start with something. Of course you are still allowed to give me suggestions what you always wanted to know…

Ok, that’s the box up there, where the cooler is inside. We know it already. Now what is inside the cooler, please? So, before I finally pack it again, I punctured it once more, i.e. lasered it. PR usually tells you a lot, if the day is long enough. Whereby such a VGA cooler is still no real witchcraft, only a little bit…

 

And yes, I can spoil something in advance: It came out exactly what I suspected. But no matter – macro shots and precise analyses, also of the individual layers, are always nice to look at and to read. I quickly get myself another coffee and off I go, while further up things sweat about which I may write only soon that they exist at all. So there could be. Only you want to read something every day and I quickly go into amoeba mode. Measurement here, benchmarks above and in the end we are all smarter anyway – above and below. Only a little bit delayed…

And what do we do right now? The used 3D profilometer and the powerful microscope (max. x2000) are in the game and it’s also about material analysis for which I don’t have to use a SEM EDX elaborately. Vacuum? I don’t even need one for this and it saves a lot of time.

Some theory in advance

The laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) I am using now is a kind of atomic emission spectroscopy, where a pulsed laser is directed at a sample to vaporize a small part of it and thus create a plasma. The emitted radiation from this plasma is then analyzed to determine the elemental composition of the sample. LIBS has many advantages over other analytical techniques. Because only a tiny amount of the sample is needed for analysis, damage to the sample is minimal. This technique generally requires no special sample preparation. Even solids, liquids and gases can be analyzed directly. This is exactly what I could not do with the SEM EDX. I had to wash out all liquids before (vacuum!).

LIBS can detect multiple elements simultaneously in a sample and can be used for a wide range of samples, including biological, metallic, mineral and other materials. And you get true real-time analysis, which saves tremendous time. Because LIBS generally does not require consumables or hazardous reagents, it is a naturally relatively safe technique that also does not require a vacuum. As with any analytical technique, there are limitations and challenges with LIBS, but in many of my applications, especially when speed, versatility, and minimally invasive sampling are advantages, it offers distinct advantages. And that’s exactly why we’re going to make a cut and get to the practical stuff!

 

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eastcoast_pete

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1,475 Kommentare 833 Likes
#1 Aug 31, 2023

Das ist/war interessant, gerne mehr von derartigen Untersuchungen!
Was ich bei dem Kühler nicht ganz verstehe: wozu die schwarze Beschichtung der Kühlfinnen, v.a. wenn die noch die Wärmeabgabe behindert? Warum nicht einfach "Alu Brut", also im original belassen?

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big-maec

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830 Kommentare 478 Likes
#2 Aug 31, 2023

Na ja für zum Ausprobieren ganz schön, aber ich frage mich wie viele ein Rajintek Morpheus Kühler haben und die das dann interessiert?
Hätte es interessanter gefunden, was Gängiges aus der Community zu analysieren. Nehme das mal so mit und warte ab, was da noch so kommt.

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k
krelog

Veteran

173 Kommentare 53 Likes
#3 Aug 31, 2023

Wie viel µm dringt der Laser denn pro Schuss in das Material ein und ist das vom Material abhängig?

Mir geht es um die Dickenbestimmung von Schichten usw. ob man die daraus ableiten kann.

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Igor Wallossek

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10,198 Kommentare 18,814 Likes
#4 Aug 31, 2023

Die jeweilig verdampfte Schicht ist sehr unterschiedlich dick, je nach Material. Aber ich könnte mitz dem Profilometer und x2000 sicher auch die Tiefe messen :)

Deswegen steht ja am Ende (und schon am Anfang) auch die Anregung, mir was vorzuschlagen und ggf. auch mal zum Test zuzuschicken. Das hier ist ein exemplarisches Beispiel. Ich habe z.B. auch AMDs MBA-Kühler analysiert und gemerkt, das KEINER bisher bemerkt hat, dass auch die Hälfte des Bodies aus puren Kupfer besteht und nur der äußere Teil eine Alu-Lösung ist. Haptisch und optisch merkt man das gar nicht. Aber es erklärt die gute Performance... :D

Den gibts auch in Alu. Die Beschichtung ist reine Optik. Stört nicht extrem, aber ohne gehts etwas besser.

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R
RazielNoir

Veteran

337 Kommentare 111 Likes
#5 Aug 31, 2023

Der Heatspreader einer aktuellen CPU bzw. das Underfill würde zwischen HighEnd und Einsteiger-CPU interessant sein. Vielleicht kann ja Roman hier mit Samples aushelfen, er köpft ja so gern...

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RedF

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4,664 Kommentare 2,553 Likes
#6 Aug 31, 2023

Ich will auch so eines fürs Labor ^^. Würde sich gut für die Fremdkörperanalyse machen.
Werde es auch vorschlagen, mache mir da aber wenig hoffnung.

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Igor Wallossek

1

10,198 Kommentare 18,814 Likes
#7 Aug 31, 2023

Hatte ich schon in Auftrag gegeben, aber die Muster sind in einem Labor verschollen :(

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S
S.nase

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1,346 Kommentare 451 Likes
#8 Aug 31, 2023

Auf passiv belüfteten Alukühlkörpern ist ja oft auch ne schwarze Eloxierung aufgebracht, um die Wärmeabstrahlung zu verbessern. ob die schwarze Beschichtung auf dem Morpheus den gleich Zweck erfüllen kann, oder nur aus optischen Gründen aufgebracht ist, wäre halt meine Frage.

Blankes Alu oxidiert halt ja auch sofort. Und das könnte die schwarze Beschichtung ja auch verhindern. Wobei da ja auch wieder die Frage ist, in wie weit ne oxidierte Aluminiumobfläche die Wärmeabstrahlung reduzieren kann.

Genau das gleiche Problem tritt ja auch in Wasserkühlern oder Radiatoren auf. Verschlächterte die Kupferoxidschicht im Wasserkühler oder Radiator, den Wärmeübertrag zwischen Kupfer und Kühlmittel?

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echolot

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932 Kommentare 723 Likes
#9 Aug 31, 2023

"Und nein, das hier ist nicht der Mond samt seiner Krater, sondern es sind zwei Aufschläge meines Lasers. Aber es stimmt schon, das hat durchaus etwas Kosmisches." Und die Inder waren derweil auch schon auf dem Mond.

View image at the forums


https://twitter.com/i/web/status/1694328406937112694

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Igor Wallossek

1

10,198 Kommentare 18,814 Likes
#10 Aug 31, 2023

Also: Aluminiumoxid ist in der auftretenden Stärke kein großes Hindernis. Eloxieren ist ganz gut, Pulverbeschichten (schon wegen der Schichtstärke) eher weniger. Hier ist es ja überwiegend Kohlenstoff, der tuts ganz gut. Aber man hat ja auch bei jeder Schicht noch den Wärmeübergangswiderstand obendrauf.

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DigitalBlizzard

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#11 Aug 31, 2023

Die La
Naja, reines Aluminium würde auch oxidieren, nicht rosten, aber bei Sauerstoffkontakt oxidieren, diese natürliche Oxidschicht wird sehr hart und schützt das Aluminium eigentlich, macht aber die Oberfläche rauer und optisch unschön.
Wenn man dann z.B. noch in Gegenden wohnt, wo der Salzanteil in der Luft hoch ist, Nordsee, Ostsee, würde das Aluminium stärker korrodieren, auch beim Anfassen ( salze auf der Haut ) , das geht bis zum Lochfraß, gerade bei sehr dünnen Schichten Alu.
Auch reagiert Aluminium galvanisch z.B. auf Kupfer und da es das unedlere Metall ist, würde Alu zuerst korrodieren.
Sure und Basische Umgebungen unter 4 und über 9 lassen Alu ebenfalls Korrodieren, blankes Alu wäre also nicht die Lösung.

Es gibt ein Verfahren der künstlichen Oxidation, das quasi die schützende Aluminiumoxid Schicht künstlich erzeugt, eloxieren nennt man das, aber auch da bleibt eine Restempfindlichkeit gegen Säuren und Basen.
Man kann es auch Pulverbeschichtet ( also trocken lackieren mit einbrennen, etc.

Bei Kupfer sieht es nochmal anders aus, Kupfer korrodiert vom braun anlaufen bishin zum Grünspan. Kennt man von der Dachrinne oder dem Hamburger Michel.
Das ist ein natürlicher Schutzmechanismus des Metalls, aber man kann es z.B. mit bestimmten Verfahren schützen.

Kupfer ist ein edles Metall, muss aber auch geschützt werden.

Tolles Beispiel ist Rhodium, eine extrem harte Beschichtung aus dem Platinmetall Rhodium, das am Besten schützt vor Korrosion, Oxidation und mechanischen Einflüssen.
Nur leider hält Rhodium nicht auf jedem Metall so einfach, im Prinzip nur auf Gold, Silber und Nickel.

Um Kupfer zu Rhodinieren, muss man es vorher mit Nickel oder Silber beschichten.
Und das Verfahren ist teuer.

Bei den Sockeln / Abnehmern eines Kühlers ist bei guten Modellen der Kupferblock vernickelt, denn auch das schafft eine größere Härte und Korrosionsschutz.
Reines Kupfer wäre zu weich und zu Korrosionsanfällig für eine Verwendung die eine möglichst Ebene zum Wärmetausch voraussetzt.

Im Prinzip würde eine raue Oberfläche die Wärmeleitung begünstigen, weil sie mehr Oberfläche schafft, sie verschlechtertnaber auch die Strömungswiderstände.

Heatpipes können daher innen auch gerne aussehen wie ein gezogener Gewehrlauf, mit gezogenen Rillen das ist gut für die Transportflüssigkeiten und Gase, erleichtert den Energieaustausch, außen am Abnehmer sollte die Fläche aber so eben wie möglich sein, um die sich berührenden und damit aktiven Flächen maximal zu vergrößern.

Die letzten Unebenheiten zwischen CPU und dem Abnehmer werden daher mit Wärmeleitpaste ausgegleichen, um Luft auszuschließen.

Aber da gibt es viele andere Abers:
Kupfer leitet ca 400wmk, Alu ca 230wmk, silber etwa 420wmk, Nickel ca 80wmk, Wärmeleitpaste 6-20wmk, Rhodium ca 150wmk.
Kupfer und Aluminium in direktem Kontakt würden ohne Beschichtung eine galvanische Korrosion begünstigen.

Würde man eine Kupferoberfläche Rhodinieren, wäre das perfekt, hart, korrosionsgeschützt etc. aber man bräuchte silber als "Haftvermittler" oder Nickel.

Silber wäre thermisch perfekt mit etwa der gleichen Leitfähigkeit wie Kupfer, Rhodium wäre mit 150wmk auch noch super.
Das ganze wäre aber ein doppelter Aufwand und sauteuer.
Daher nutzt man nur Nickel, das hat zwar nur rund 80-85wmk, ist aber viel billiger und wird hauchdünn aufgetragen, weswegen der geringe Leitwert nicht so stark zum Tragen kommt aber den Zweck des Korrosionsschutzes und der Oberflachenhärtung erfüllt.

Perfekt wäre natürlich Kupfer, Silber und Rhodium, aber unbezahlbar .

Das erklärt im Übrigen auch, warum ich immer insistiere und dazu rate WLP so dünn und gleichmäßig wie nur möglich zu verwenden, denn eigentlich ist WLP falsch getauft, streng genommen ist es mit dem schlechten wmk wert fast schon eine Isolator, daher wenig, wenig wenig und gleichmäßig.

Eine wesentliche Rolle bei der Ableitung spielt auch das, was in den Heatpipes vorhanden ist, das geht von destilliertem Wasser über Alkohole, Edelgase und Nanopartikel.
Je enger die Temperaturen bei dem die Füllung Gasförmig wird und die Temperaturen der Kondensiert beieinander liegen, desto effizienter wird die Wärme in der Heatpipe transportiert.
Aber auch hier spielen Materialien und Kosten eine Rolle.

Alkoholbasierte Mischungen mit Silbernanopartikeln sind daher sehr gut und gern genommen bei hochwertigen Heatpipes wie sie Noctua, Deepcool, Thermalright und andere verwenden.

Wenn man so eine Heatpipe oben abknipst und es riecht wie am Kneipentresen nach den letzten Kurzen, dann war es eine gute Heatpipe und ihr könnt den Kühler dann wegschmeißen.
Aber man weiß dann wenigstens, dass er gut war.

Also Naturbelassene reine Materialien ohne Beschichtung wären schön, weil die Beschichtungen immer gewisse thermische Nachteile bringen, aber ohne Beschichtungen wären die Haltbarkeit und Wirkfähigkeit schnell dahin.
Optimal wäre es z.B. auch wenn man die Alu Finnen eines Kühlers mit Silberlot an den Heatpipes verlöten würde, das würde das Ergebnis absolut maximieren, aber es wäre sowas von teuer.

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S
S.nase

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1,346 Kommentare 451 Likes
#12 Aug 31, 2023

Welches Lot(Zusammensetzung) zwischen Kühlplatte und Heatpipe verwendet wurde, hat bestimmt mehr Einfluss auf die Kühlleistung. Schließlich ist das ja das Wärmekontaktmedium, um die Heatpipe überhaupt thermisch an die Kühlplatte an zu binden.

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DigitalBlizzard

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#13 Aug 31, 2023

Mein Traumkühler wäre daher ganz einfach ein AK620 mit Heatpipes und Finnen aus Silberbeschichtetem und rhodinieretm Kupfer, Kontaktstellen zwischen Sockel Fuß, Finnen und Heatpipes vollständige mit Silberlot verlötet, der wäre dann nur noch auf horizontalen Boards verwendbar, weil ca 2,5 Kg schwer, und wahrscheinlich bei 300-400€
Aber er wäre geil, der könnte wahrscheinlich bis 180 Watt locker passiv arbeiten

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DigitalBlizzard

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#14 Aug 31, 2023

Ja, theoretisch ist das ein riesen Faktor, auch ob nur punktuell an 2 Punkten verlötet wird oder umlaufend.
Silberlot wäre perfekt und zwar vor dem Rhodinieren, erst alles aus Kupfer, das silberbeschichten, dann silberverlöten, und dann alles rhodinieren.

Ich habe vor gut 20 Jahren des Öfteren HFX passiv HTPC Gehäuse verbaut, mit Kühlrippen außen, innen kamen Kupferheatpipes zum Einsatz, und vernickelte Kupferblöcke die als Abnehmer und Verbinder dienten, aber die Heappipes wurden nur in die Blöcke eingelegt und maximal mit WLP verbunden, das ist natürlich eine ganz schlechte Lösung, optimal wäre es gewesen, nach der Anpassung die Heatpipes in die Blöcke einzulöten.

Das war auch der Grund, warum die nie die Leistung brachten, die möglich gewesen wäre, im Idealfall.

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DigitalBlizzard

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#15 Aug 31, 2023

Hast Du nen Gaschromtographen!? Oder jemanden parat der einen hat, ich wäre ja extrem heiß drauf zu wissen, was sich da verflüchtigt, sobald die Heatpipes aufgezwickt wurden
😂

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DigitalBlizzard

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#16 Aug 31, 2023

Hatte in einem Anderen Forum vor Jahren mal den Fall, da hat einer ein massives Wärmeproblem der CPU gehabt, zig Leute kamen mit WLP zu dick, falsch montiert usw.
Alles nicht der Fall, die CPU kochte, der Kühler blieb kalt. Deepcool Neptwin, also kein schlechter Kühler.
Sein einziger Verdacht war ein chemischer Geruch ähnlich Terpentin.
Dann bat ich um Bilder, bekam sie und ich vermisste sofort sie " Nippel" am Oberen Ende der Heatpipes, die waren flach und gequetscht.

Auf mehrmalige Nachfrage gab er dann zu, die Heatpipes mit dem Seitenschneider gekürzt zu haben, weil das Seitenteil nicht mehr zuging, kühler war zu hoch.
Fall klar, Kühler hin, aber das zeigte eindrücklich wie wichtig die Füllung der Pipes ist, ohne die, ist die Wirkung gleich null.

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Roland83

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#17 Aug 31, 2023

Momentan wird aber oft von Dingen geschrieben die es eigentlich nicht gibt oder doch geben könnte xD
Bin schon gespannt was da kommt, hat Nvidia doch die 4090ti aus dem Sack gelassen oder bringt AMD noch einen AM4 59xx, AM5 79xx mit full ccd 3d Cache , die Spannung steigt ins unermessliche und überraschen tut einem ja schon fast gar nichts mehr :D

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DigitalBlizzard

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#18 Aug 31, 2023

Normal, die Dinge die Du heute im Laden kaufst waren schon Monate und Jahre vorher irgendwo und irgendwie in Vorstufen oder Samples unterwegs, Entwicklung, Tests, Marktreife, Herstellung, Design, Verpackung etc dauert alles seine Zeit und dann noch die 3-6 Monate auf See und in Containern.

Es gibt auch immer Mitwisser und deshalb Leaker, manchmal gewollt, oft aber auch nicht.
Die Kunst als Mitwisser ist, die Fresse zu halten, bei uns regeln das Verträge, würde ich etwas zu viel ausplaudern, könnte ich Hartz4 beantragen und mir von dem Geld nen Strick kaufen.

So sah Anfang 2019 die PS5 aus bevor sie auf den Markt kam, da war auch die Kühlung noch gut, beim Serienmodell wurde dann natülich die Starwars Design Optik umgesetzt, zum Nachteil der Kühlung, aber die Hardware war da schon weitestgehend identisch mit der Serie.

Die V Form beherrbergte die Kühlkomponenten, war aber auch gleichzeitig als Symbol für die 5 gedacht, römisch 5 halt

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Und schweigen ist in der Branche GOLD, wenn Igor etwas zu früh oder zu viel ausplaudern würde, könnte auch eine echte Instanz wie er, ganz schnell das "Dauerhaft Geschlossen " Schild raushängen

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R
RazielNoir

Veteran

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#19 Aug 31, 2023

Dinge die es nicht gibt aber geben könnte....

- Eine GraKa um 500€ im Consumerbereich mit den Daten der RTX A4500 (RAM/WATT) auf Basis AD104 und 2-Slot Design.
- Eine CPU Gen 14 von Intel ohne E-Cores und 10 P-Cores und 64 PCI-Lanes im Consumerbereich ohne Brechstangenstromverbrauch (~TDP 95/Max 150W) oder entsprechendes Gegenstück von AMD
- Ein Mainboard mit 2 mal PCIe x16 in voller Beschaltung und 3 x M.2 im mATX-Format sowie 8+ SATA

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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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