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

Preliminary test: bleeding

It’s fascinating how well such a trivial test works over and over again. And no, this is intentionally not absorbent kitchen paper, but a normal white 80 g sheet from the copier. You can already see after 10 to 15 minutes that both the MasterGel Maker V2 and the CryoFuze are bleeding a lot. With the Apex, everything is in the green zone, even after two days. Everyone can make such a test for themselves and I personally would not use a paste that exhibits such behavior. And just as an aside: pure silicone would not migrate into the paper as widely as this. Another reason why the tension rises and rises….

 

Thermally conductive particles as a base and the fillers together with the binder

Each paste relies on certain particles of a chemical compound with the lowest possible thermal resistance. There are many possibilities here, up to and including diamond powder. However, there are also particles whose grain size plays a very important role for the subsequent performance. On the one hand, there is the shape, which can be platelet-shaped, crystal-shaped or rather round. On the other hand, of course, the particle size also plays a very important role. And this is where theory and practice already clash. Coarser grain sizes offer, at least on paper, lower thermal resistance, but also leave larger gaps between the particles and even the surface. This, in turn, also negatively affects the actual thermal conductivity of the entire compound. Higher grit sizes, however, normally also make the layers somewhat too thick. Too fine grit sizes, on the other hand, result in thinner layers under high pressure, but with a bit of bad luck make pastes too solid. Liquid, more slurry-like or a bit more viscous? With the grit size, you can control the consistency quite well in advance. It is clever to mix different grit sizes, i.e. something between 1 and 2 µm and something larger up to approx. 5 µm. Then you have something from both worlds.

And how do you get the gaps, e.g. between a corundum, filled appropriately? For everything below 1 µm, one uses a filler that is still as good a thermal conductor as possible and is much cheaper, often in the form of platelets. Especially the very fine grains of corundum, diamond and boron nitride are really expensive. The stuff has to be ground in a complex process, and that costs money. That’s why many cut at around 1 to 1.5 µm and fill up with additives. The cheapest are things like zinc oxide, which is also used as a base for cheaper pastes.

To ensure that the paste does not reach the customer as dust, various binders are used, which on the one hand also guarantee the final consistency of the paste and on the other hand represent one of the most important secrets when it comes to long-term durability (“reliability”) and performance in certain temperature windows. The pastes tested today can also be used for the sub-zero range, which of course poses different challenges for the binder than for a “normal” consumer paste. The silicone oils (linear polysiloxanes) that are almost always used are, from a purely chemical point of view, a middle ground between inorganic and organic chemistry. They have an inorganic framework (as in rocks and minerals) and contain certain organic residues. This positions them between silicates and plastics. The resulting properties are versatile and, above all, easily controllable.

Very important for the quality and shelf life of a paste as well as the congruent consistency of all batches is “conching”, i.e. the permanent and complete mixing of all components until the ideal distribution of all components is approximately achieved and maintained. The mass distribution will certainly never be perfect, but almost. But you know this from cocoa: if you don’t stir and shake constantly, the suspended solids sink to the bottom again over time and the paste dissolves. The only thing that helps is constant stirring and shaking.

Cooler Master MasterGel Maker V2 vs. Alphacool Apex

Let’s take a look at the older Cooler Master paste in the form of the MasterGel Maker V2 and compare it to the Alphacool Apex. The Master Gel is exactly what I described above. The large and more round grains in the spectra are extra-hard corundum in two grit sizes, a fairly common mineral in the oxides and hydroxides mineral class. It crystallizes in the trigonal crystal system with the chemical composition Al₂O₃ and thus, chemically speaking, is actually nothing other than aluminum oxide. Let’s move on to the more favorable filler, which we naturally also want to determine. And it is – what a coincidence – the favorable zinc oxide ZnO! But Cooler Master’s OEM should be able to explain where the 3.6% hydrogen is supposed to come from. And then there was the puddle around the blob in the form of leaking silicone.

The Apex has a completely different composition, because it uses corundum in considerably more than two grit sizes and some silicone oil as a binder. This means that you can do without the zinc oxide flakes as an inexpensive filler. It’s the simple that’s so hard to do, because handling such a “slurry” is not easy and only very good original manufacturers (not fillers) get a decent bond there at all. The MasterGel Maker V2, on the other hand, is a completely average Al₂O₃ (corundum) based thermal paste with a grain size between 1.5 and 5 µm and quite ordinary, finely ground zinc oxide as a filler. Only the water thing is very strange, but I will explain that later.  However, I consider the stated 8 W/mK to be somewhat realistic. The Apex, on the other hand, is real high-tech and should also be very constant over time. The thermal conductivity of the Apex also seems quite optimistic, but it could well be over 10 W/mK. I will certainly measure that once in due course.

Cooler Master CryoFuze Violet vs. Alphacool Apex

The main thing is colorful? Well… We just had the Apex, so let’s concentrate on the colorful paste. And there I get big worry lines. What has been so lovingly colored is nothing more than cheap, pure zinc oxide with silicone. In other words, an extremely simple paste that could be located in the range around realistic 4 to 6 W/mK, but never in a lifetime above 10. That is hardly possible with pure ZnO. And yes also the over 6 percent hydrogen is plenty strange. So I would really think twice about using such a paste.

Summary and conclusion

It’s amazing how you can achieve such good results with so little time. That was enough to expose the CryoFuze from Cooler Master as a cheat pack, while the MasterGel Maker V2 proved to be a reasonably solid product. However, the fact that both samples contained huge amounts of hydrogen is probably evidence of rather careless work on the part of the filler. Especially the CryoFuze has the charm of a nice watercolour from my son’s paint box, because any corundum is missing (although it should have been there). The hydrogen content is also extremely high.

Of course, I sent Cooler Master the results in detail in advance and also a technical explanation. It is very positive that there was an official statement immediately and I will of course report further.

“We are looking into the situation and talking to the factory about the issues raised by Igor’s Lab. We are taking this feedback very seriously, and hopefully our team will find a solution for this as soon as possible. We will provide you with an update once we have more information.”
Aniek Stavast, Marketing Manager Thermal, Cooler Master

 

LIBS is a very helpful method, where you end up with results in a very short time, which you have to produce by SEM and EDX with much more effort. Sure, even LIBS has its drawbacks (nitrogen and its compounds are not reasonably detectable without an Argon box because they are present in ambient air), but the advantages outweigh them. Combined with the powerful microscope, this is a technical tour de force. And I am sure that I will gladly repeat such experiments again. After all, curiosity dies last.

 

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Case39

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2,516 Kommentare 937 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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1,531 Kommentare 863 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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81 Kommentare 32 Likes

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

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Igor Wallossek

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10,266 Kommentare 19,006 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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966 Kommentare 742 Likes

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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7,828 Kommentare 3,599 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

10,266 Kommentare 19,006 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

10,266 Kommentare 19,006 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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192 Kommentare 74 Likes

Danke für die Aufklärung.

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RedF

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4,698 Kommentare 2,572 Likes

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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966 Kommentare 742 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

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10,266 Kommentare 19,006 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 371 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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