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Thermal paste comparison with laser-induced plasma spectroscopy: We discover a violet surprise!

Update from 19.07.2023 – 02:30 pm

Since the Cryo Fuze is supposed to be mainly composed of aluminium (I will, of course, not disclose the actual recipe for certain reasons), the absence of any aluminium traces over so many measurement points is indeed interesting and an important finding for Cooler Master. In consultation with the manufacturer, I will soon test other batches (including from abroad), as it could also be a major mishap of the filler. Such a thing, of course, must not happen, and a clarification is in the interest of Cooler Master to protect the product. But we will naturally stay on top of this.

Original article

I recently had a visit from KEYENCE in the lab and it was interesting to see how the technology is developing. Instead of time-consuming analyses by SEM (scanning electron microscope) and material analysis with EDX in vacuum, where we always have to remove all liquid components first, the whole thing can now be done quite simply and without any preliminary work! And since I was extremely curious about how it all works, I simply examined three thermal pastes. This is on the one hand the Alphacool Apex, which I like to use, and on the other hand in direct comparison the MasterGel Maker V2 and CryoFuze Violet from Cooler Master. Especially with the fancy colored CryoFuze I was curious where the stated 12.6 W/mK should come from. So it will be exciting!

We measure with LIBS

Before we measure anything, I want to briefly explain the term and the method behind it, because it doesn’t work completely without background. LIBS is an acronym for Laser Induced Breakdown Spectroscopy. The KEYENCE unit (EA300) visible in the picture for the analysis of materials uses exactly this method, which relies on the use of a highly safe class 1 laser. In this process, the laser used converts the surface of the object to be analyzed into a plasma state. In the process, atoms and molecules of the material are ionized, causing them to emit light.

To measure and evaluate this emission, a high-resolution broadband spectrometer is used. This instrument is capable of detecting and analyzing a broad spectrum of light colors, ranging from the deep ultraviolet to the near-infrared. This broadband capability allows for a comprehensive analysis of the various elements contained within the material, as each element emits a specific color or frequency of light. The design of the system used here is such that the microscope’s objectives are positioned on the same axis. This special arrangement optimizes the detection of elements in the measurement area. This concentrated and precise analysis allows the material analysis unit to provide accurate and reliable data on the composition of the material under study.

So much for the theory, but what happens to the data? The device used is equipped with an extensive internal database containing thousands of material structures. This resource allows the system to quickly make a prediction of the most likely material name based on the identified elements. To increase usability, the material data is organized in a hierarchical structure. This simplifies access to specific information such as the specific material name, the generic name, and the description of the material. So a kind of EDX for dummies and in really fast. Well, and you don’t have to clean anything afterwards either.

In addition to the material structures at hand, the database also has the ability to store previous internal analysis results and retrieve them as needed. So if similar foreign particles are detected in later analyses, these earlier results can serve as a reference. This feature not only makes work easier for experienced users, but also allows inexperienced users to identify materials in a simple and efficient manner. The combination of a comprehensive database, intuitive structuring, and reference capabilities helps optimize material identification for users of all experience levels.

Multi-field measurement of the Alphacool Apex

The compact and removable unit houses specialized triple optics for viewing, laser and spectroscopy. It is designed to provide a central laser transmission path with SLR optics close to the lens, enabling high-performance focusing of plasma emission. Thanks to the combination of KEYENCE technologies, components have been significantly reduced in size while still achieving high performance. The unit offers an innovative function to link the field of view and focus.

This allows the microscope objective and laser objective to share the same field of view by simply moving them. This eliminates the need for alignment and focus adjustment during analysis. Changing and attaching the most appropriate objective is simply convenient, regardless of the magnification level. The measurement is not entirely non-destructive, but it also allows one to remove layer by layer and re-measure the underlying areas. Advantage vs. disadvantage – you can weigh it.

But enough of the theory, because in the end we want to know what is really in the pastes. After all, I don’t want to sell you such a device, but only show you what is possible with it. That’s exactly what you’ll get after turning the page!

 

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Case39

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2,498 Kommentare 928 Likes

Wieder was gelernt...die Sendung mit der Mau...ähm...mit Igor😉👍

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pinkymee

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Ich liebe so spannende Artikel :)

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eastcoast_pete

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1,460 Kommentare 819 Likes

Auf die Auflösung der Frage "Wo kommt denn der Wasserstoff her?" warte ich jetzt auch gespannt. Wenn's wie angenommen von H2O ist, wär das gar nicht gut, oder, wie man im Englischen mal gesagt hat, seriously uncool (pun intended).
Und LIBS ist schon sehr interessant, wobei ich mich aber auch Frage, wie denn die Optik der Maschine sauber gehalten wird, wenn da in unmittelbarer Nähe vermittels Laser Feststoffe in die Gas- und Plasmaphase gebracht werden. Wird da Schutzgas zugeleitet (weg vom Objektiv), damit einem das Objektiv damit nicht "versaubeutelt" wird? Muß ich mal nachlesen, jetzt will ich's doch wissen 😄. Aber immer toll, wenn Du @Igor Wallossek wieder einmal ein neues Messinstrument einsetzt.

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Der Do

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78 Kommentare 31 Likes

Igor geht wieder so tief ins Detail, dass es (den Herstellern) weh tut...gut so!(y)

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Igor Wallossek

1

10,174 Kommentare 18,759 Likes

Der Laser (Klasse 1) ist weit genug weg, da wird nix besplattert :D
Der Waserstoff sollte vom Hydrazin stammen. Dazu gibts morgen noch ein kleines Follow-up.

Optik und Laser sind alternierend. Also Augen zu und dann wieder gucken…

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RedF

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Da bin ich mal gespannt was der giftige Raketentreibstoff in der Paste macht : )

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echolot

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D.h. In situ trocknet die Pampe einfach aus und die Kühlleistung ist futsch?!

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Arnonymious

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Ein spannendes Stück Technik. Vielen Dank für den Einblick. @Igor Wallossek wie schaut das mit der Geruchsentwicklung bzw. Absaugung der Dämpfe aus? Da kann ja auch mal was entstehen, was man nicht unbedingt in Riechkolben oder Blutbahn braucht.

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Martin Gut

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7,756 Kommentare 3,561 Likes

Ich habe einen neuen i5-4670K geköpft. Die Wärmeleitpaste unter dem Heatspreader war vertrocknet, hart, rissig und wenn man sie abschabt krümelig. Wenn das Schmiermittel ausläuft oder verdunstet, bleiben ja nur noch die anderen Bestandteile übrig. Das Aluminiumoxid leitet ja immer noch. Dazwischen fehlt aber Material. Die Masse schrumpft und es entstehen Risse. Da wo Material fehlt, leitet es auch nicht mehr. Dazu ist die Masse nicht mehr beweglich. Wenn sich der Chip durch Temperaturschwankungen verformt, macht das die harte Paste nicht mehr mit und kann sich stellenweise ablösen.

Es muss aber natürlich nicht immer so schlimm sein. Wenn die Paste mit den Jahren ein wenig Flüssigkeit verliert und etwas zäher wird, muss das noch nicht gleich spürbar schlechter werden.

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Igor Wallossek

1

10,174 Kommentare 18,759 Likes

Das sind mikroskopische Mengen, die da im Sekundenbruchteil entstehen. Da müsstest Du schon stundenlang dauerlasern... :D

Jain. Wenn Paste sofort ausblutet heißt das, dass entweder zu viel Silikon drin ist, oder dass die Paste schlecht vermischt wurde bzw. länger lag. Ich schrieb ja in einem Grundlagenartikel schon mal, dass die Paste nonstop "conchiert" werden muss. ist halt etwas wie Pfusch am Bau.

Hydrazin nimmt kein Mensch völlig wasserfrei, das ist sowas von reaktiv... Krawumm... Aber eine Hydrazin-Lösung ist ein üblicher Katalysator. Nur muss das Zeug ja auch wieder unter Hitze rausgepresst werden bzw. ausgasen. Wasser(stoff) hat da drin nun wirklich nix zu suchen. Ich brauche ja auch keine Emulsion.

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Megaone

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Genau solche Berichte und Tests "Separate the men from the boys" oder unterscheiden den Experten von den Dampfplauderern.

Danke für den tollen Bericht. Es war wie immer ein Vergnügen.

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Igor Wallossek

1

10,174 Kommentare 18,759 Likes

Ich spare grade auf so ein Teil.... Mein Wunsch(traum) ist eine Wärmeleitpastendatenbank mit richtiger Mikroskopie, Massenspektrum und Tests des Wärmewiderstandes sowie Viskosität. Wenn alles gut geht, gibt es dieses Jahr noch eine insgesamt sechsstellige Investition ;)

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Arnonymious

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190 Kommentare 72 Likes

Danke für die Aufklärung.

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RedF

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Da muss der Deckel vom Mischer ein wenig länger geöffnet bleiben ^^.

Da wird in der Produktion wieder zeit gespart...

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T
TRX

Mitglied

60 Kommentare 47 Likes

Ich fürchte, da wird eine öffentliche Entschuldigung fällig. Hydrazinreste werden sich in der Paste keine finden, das kann sich kein Hersteller erlauben. Egal ob MMH oder DMH, Hydrazine sind wirklich SEHR giftig. Es wäre das Ende des Herstellers, wenn das in relevanten Mengen in einem Endkunden-Produkt auftaucht.

Der Wasserstoff stammt einfach vom Silikonöl, Glycerin oder was auch immer als Fluid in der PAaste verwendung findet. Silikon hat eine Hauptkette auf Silizium and Sauerstoff, die organischen Reste an den Seiten sind aber großteils Kohlenwasserstoffe. Interessant ist aber die Frage, warum der Kohlenstoff nicht angezeigt wird. Gerät nicht ausreichend Sensibel? In der Diagnosesoftware versehentlich deaktiviert?

Mal vom zwnagsläufig vorhandenen Silikonöl abgesehen, adsorbieren Oberflächen auch generell Wasser, wenn sie der feuchten Luft ausgesetzt sind. Je größer die Oberfläche, deste mehr Wasser kann adsorbiert werden. Eine absolut Wasser- und gleichzeitig Öl-Freie Wärmeleitpaste wird man daher unter Luft nicht darstellen können. Das ist auch der Grund, warum man Hochvakuum ausheizen oder lange halten muss und es nicht reicht, "einfach die Luft raus zu ziehen". Die Adsorbtion geht schnell, die Desorbtion dauert mitunter recht lang.
Des weiteren sind viele oxidische Zuschlagstoffe porös und dadurch hygroskopisch. Beim Verdampfen der Partikel wird das aus der Luft aufgenommene Wasser ebenfalls freigesetzt.

Viele Grüße,
TRX

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echolot

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922 Kommentare 720 Likes

Von was für Summen sprechen wir hier? Kann man das detaillieren? Also Du... ;)

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Lagavulin

Veteran

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Vielen Dank für den tollen Artikel! Wäre wirklich interessant zu sehen, welche teuere Pasten sich da noch so als „Schlangenöl“ herausstellen.

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Igor Wallossek

1

10,174 Kommentare 18,759 Likes

Silikonöl... Diorganopolysiloxane enthalten auch Wasserstoff, allerdings lässt sich so eine Verbindung in der Datenbank ausblenden. Genau das haben wir ja gemacht.

Nur zum Verständnis des Herstellungsprozesses:
Pasten werden final unter Druck und Temperatur von allen Rückständen befreit (Ausgasen). Da verschwindet auch das Hydrazin, das sowieso nur in einer stark wässrigen Lösung verwendet wird. Ich habe die Apex nicht ohne Grund mit im Test. Damit habe ich auch die Filter überprüft. Aber selbst wenn wir das Wasser ausklammern: Wieso besteht eine Paste, die als Hauptbestandteil Aluminium enthalten soll, nur aus ZnO und nicht einem einzigen Partikel Al oder Al2O3? Das ist am Ende bei 25 (!) Messpunkten nur ZnO und Silikonöl. Ob die Batch verhauen wurde oder es ein generelles Problem ist, befindet sich aktuell in Klärung.

Ich hoffe, dass das Gerät bald permanent hier steht, dann werde ich das noch einmal in aller Ruhe mit unterschiedlichen Chargen nachtesten. Auch gern mit Mikroskopie, denn ZnO in Plättchenform sieht nun mal anders aus als die Korundkügelchen.

Was auch möglich wäre, dass man bei der Cryo Fuze einfach das Al vergessen hat (wie auch immer). Mit einem dann so großen Anteil Silikon verarscht das jeden Filter.

Edit:
Der Kohlenstoff steckt in der Verbindung, die ausgefiltert wurde. Normalerweise sieht man den aber sowas von... Aber ich werde in Zukunft wohl erst enmal alles anzeigen lassen und mich nicht auf die automatischen Vorschläge verlassen.

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Furda

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663 Kommentare 370 Likes

Danke für den interessanten Artikel. Sehr tolles "Spielzeug", dazu prädestiniert, eine umfangreiche Datenbank aufzubauen.... 🙂

Der Schnell-Test mit dem Papier ist Gold wert - und dürfte so manchen WLP Vertrieb ins Schwitzen bringen (pun intended).

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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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