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Teaser: Laboratory investigation of CPU, GPU and heatspreader on the myth of layer thickness for thermal paste

Here’s a little teaser for next week, as I have to work on other topics at the same time as all the graphics cards. And that’s where it gets exciting! In my current, detailed investigations into the laboratory analysis of processors, graphics processors and associated heatspreaders, I have been able to gain interesting insights that expose the long-standing myth that “a lot of thermal paste does no harm” as completely pointless. Using precise measurement techniques and taking into account empirical values and measurement data from industrial partners in the cooler and thermal paste industry, I want to demonstrate the extent to which the efficiency of the thermal transition is primarily determined by the quality of the thermal paste and the variable layer thickness, as a direct function of the surfaces. It has already been shown that the microscopic surface quality of the components and the associated irregularities play a much more important role than blindly relying on an excessive amount of paste or the tiresome discussion about the correct application method.

The measurements carried out – as well as the illustrations in the new database evaluation – prove that even slight variations in the applied paste layer lead to greatly differing thermal performances, even if an even distribution and adequate wetting of the surfaces is achieved. These findings refute the popular misconception that a generous application of thermal paste brings a significant advantage in the hope that what is too much will be squeezed out by itself. On the contrary, I found that an excessive amount not only offers no additional benefit, but in extreme cases can even lead to uneven layer formation, thickening and structural damage to the paste, resulting in increased bleeding (separation processes of the mixture) and thus to a deterioration in heat dissipation and durability.

In view of these findings, I intend to revise my database next week with regard to the search criteria adapted to the measurements and the evaluation of the behavior at very thin layer thicknesses. This update will provide a more practical reflection of real-life conditions and will also take into account the experience of overclockers and industrial manufacturing processes. For me, there is no question that it is almost irrelevant how the thermal compound is applied, as long as the final layer is as thin as possible and appropriately adapted to the specific surface properties without air inclusions. This finding underlines the importance of a differentiated approach that is adapted to the individual conditions of the hardware. I will also analyze different surfaces and prove that “flatter and smoother” does not necessarily offer more benefits.

The combination of my own measurement data with the extensive experience from the industry proves that a precise and controlled application to the respective environment is far more important than the simple application of large quantities of thermal paste. Scientific evidence shows that optimum thermal performance is primarily achieved by creating a thin, evenly distributed layer that is precisely adapted to the surface properties. This approach not only avoids wasting material, but also reduces the risk of mechanical problems that can occur if the layer is too thick.

I can only advise you to critically question conventional assumptions and blanket recommendations. The results obtained will help users to adopt a more flexible and well-founded approach to thermal pastes, taking into account both the individual circumstances of the hardware used and practical experience from various areas of application. With the upcoming update of my database, I will take a further step towards an even more precise and realistic evaluation of thermal behavior in order to provide end users with a sound basis for their decisions and thus contribute to sustainably stable and efficient thermal performance. After all, not every paste that shines with high thermal conductivity will ultimately be able to deliver what it promises at first glance.

So, and now you can continue to enjoy the weekend, I’m off to take another round of measurements…

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YoWoo

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Wäre es dann nicht möglich, pro Paste oder generell zu definieren, wieviel mg Paste ist pro mm² benötige?! Weil wenn ich genau wiege, muss die Menge dann doch nur noch gleichmäßig verteilt werden oder bin ich auf dem Holzweg?!

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Igor Wallossek

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11,689 Kommentare 22,635 Likes

So einfach ist das leider nicht, aber alles unter 20 µm ist brauchbar. Das liegt vor allem an den Oberflächen. Ein blanker Chip einer Grafikarte ist nämlich alles andere als glatt, auch im Vergleich zu einer aktuellen CPU. Ihr werdet Augen machen :D

Die Datenbank wird auch die Molekülstruktur der Paste indirekt in die Bewertung mit einfließen lassen, wenn es nämlich darum geht, welches Produkt bei den geringen Stärken dann noch die beste effektive Leitfähigkeit besitzt - auch weil deren Kontaktwiderstand mit am geringsten ist. Dann decken sich auch viele Anwendererfahrungen besser mit der Datenbankreihenfolge und so mancher Kleister, wie eine TFX, darf draußen weinen gehen.

Liquid Metal (was ich privat nie verwende) ist nämlich nicht nur deswegen so gut, weil es so toll die Wärme leitet, sondern in erster Linie deshalb, weil die Bondline Thicknes unter 10 µm gehen kann. Das schaffen nur wenige Pasten und das sind dann meist auch nicht die wirklich haltbaren. Aber dazu mehr im Artikel.

Ratet mal, was das hier ist (Wert aus dem Profilometer). Es ist nicht rau und doch extrem uneben :D

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Rooter

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Wie sieht es denn bei 0815 Notebook Kühlern und Chips aus, die eher mit weniger Druck auskommen und nicht unbedingt so eben sind, wie es sein sollte? Lassen sich GPU Erfahrungswerte anwenden?

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¿∞¡

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Vielleicht die Oberflächenbeschaffenheit eines Kühlerbodens? (Fräsbild bei hohem Vorschub)

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Itihasa

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Please correct the typo in the word: durabiliy. It should be durability.

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Itihasa

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25 Kommentare 12 Likes

Ich habe eine solche Anfrage an Herrn Igor. Sie haben die wichtigsten Wärmepasten von älteren und neu erreichten Thermispasten getestet und vermeiden die einheimische Shin Etsu -Marke - den größten japanischen Konkurrenten, der seit 20 Jahren auf Asienmärkten tätig ist. Derzeit ist es die einzige Marke, die immer noch Fortschritte macht, und sein Angebot ist bereits eine thermische Paste mit einer variablen Phase, und die neueste Version 8255 ist der Leistung und Haltbarkeit in Bezug auf Dowsil nicht unterlegen. In Russland gibt es auch einige Thermalpaste -Produzenten, und es lohnt sich, sie zu berücksichtigen, damit die Russen wissen, was sie an sie verkaufen.

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Itihasa

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25 Kommentare 12 Likes

Und hier ist ein Link zum PCM 800X Thermopad - das Äquivalent zum Honeywell 7950 PTM, das in Asien hergestellt wird. Es gibt bereits mehrere Hersteller von solchen Thermopads mit variabler Phase. Vielleicht ist einer von ihnen verwendet werden, um die PTM 7950 sie auf aliexpress verkaufen zu fälschen. Das am besten geeignete Material dafür ist das Laird 7000, denn für 1 Quadratzentimeter verlangt der Hersteller nur 0,38 chinesische Yuan, was bei 40 x 40 cm einen Preis von weniger als 1 Euro ergibt ....

Im Folgenden finden Sie Links mit dieser neuen Thermopad. Sie verkaufen es auch in Form von thermischer Paste.

Ich empfehle Ihnen, den Blog dieses Herrn zu überprüfen, weil er sehr interessante Materialien über die Pasten hat.

Ein Test der neuen Dowsil TC-5960 Paste, die Ware erwies sich als sehr gut im Vergleich zu den Vorgängerversionen TC-5550 und TC-5888.

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eastcoast_pete

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2,203 Kommentare 1,406 Likes

Bin ich schon gespannt darauf!
Mein Beitrag zum heiteren Rätselraten: Intel Heatspreader? Obwohl der ~ 10 um Unterschied in der Höhe (Ränder zur Mitte) dazu eher zu gering ist. Also vielleicht Intel 1700 Heatspreader, allerdings nachdem ein entsprechender Rahmen den schon etwas ebener gemacht hat.

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eastcoast_pete

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2,203 Kommentare 1,406 Likes

Frage zum allgemeinen Thema: wie dick (dünn) ist denn die Schicht aus Indium Lot, mit dem Heatspreader mit dem Die verbunden werden?

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olligo

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340 Kommentare 122 Likes

Ein vorgeschliffener Custom-Heatspreader aus Kupfer, für Overclocker :D?

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Härle'sBöckle

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334 Kommentare 238 Likes

GPU-Die "Kraterlandschaft" mit 18-20 Micron tiefen Einschlägen, weswegen im konkreten Fall die "Leistung" einer Paste bei einer Schichtdicke von ~20-25 Micron wichtig wäre:unsure:?

Wenn die "Kraterlandschaft" des IHS einer CPU nochmal geringer ausfällt, müsste sich die Paste auch noch auf eine Schichtdicke von deutlich unter 20 Micron (10-12 Micron ???) reduzieren lassen. Und daran scheitern aufgrund ihrer Zusammenstzung viele Pasten :unsure: ?

Die Wurstmethode mit wechselseitiger Verschraubung in Längsrichtung der Wurst gefällt mir trotzdem und bin gerade erst damit warm geworden. Die will noch weiter verbessert werden, z.B. mit einer schlankeren Wurst aka weniger Paste.

Schablonendruck kann der Normalsterbliche ja nicht:

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Martin Gut

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8,500 Kommentare 4,114 Likes

der8auer zeigt immer wieder wie er CPUs köpft. Darum weiss ich das noch von älteren CPU-Generationen. Wie das bei heutigen CPUs aussieht, weiss ich nicht.

Intel hat bis zur 8000er-Generation Wärmeleitpaste zwischen CPU und Heatspreader eingesetzt. Die Paste war etwa 50 Mikrometer dick.

Bei den 9000er-CPUs haben sie dann die leistungsstarken CPUs verlötet. Diese waren aber erstaunlicherweise trotzdem nicht besser zu kühlen. Die Lotschicht war 300 Mikrometer dick oder sagen wir 0.3 mm damit man sich das besser vorstellen kann. Begründet wurde die Dicke damit, dass die Lotschicht eine gewisse Beweglichkeit braucht. Indium ist recht weich. Beim erhitzen dehnt sich eine CPU aus und verbiegt sich etwas. Diese Bewegung muss das Lot aufnehmen. Intel sagte, dass sie damit noch nicht genug Erfahrung hätten und zur Sicherheit die Schicht noch etwas dicker gemacht haben. Die CPU darf sich ja auch nach vielen Erwärmungszyklen nicht vom Lot lösen.

Bei den 10000ern wurde die Lotschicht dann auf 200 Mikrometer reduziert.

Früher bei der Wärmeleitpaste war die Bewegung der CPU weniger das Problem, da Paste ja weich ist. Na ja, ich habe meinen neuen i5-4670K geköpft. Die Wärmeleitpaste war obwohl neu schon vertrocknet und rissig. Ich habe dann den Heatspreader am Rand abgeschliffen, damit die Schicht dünner wird und normale Wärmeleitpaste verwendet. Damit lief die CPU dann etwa 4 Grad kühler. Wie es sich seither entwickelt hat, weiss ich nicht. Der PC ist bis jetzt täglich im Betrieb und ich habe die CPU nie mehr geöffnet. Das einzige mal, dass die CPU heiss wurde ist, als die Wakü nach 2 Jahren verstopft ist. Seither sitz ein grosser Luftkühler drauf und es ist Ruhe.

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eastcoast_pete

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2,203 Kommentare 1,406 Likes

Danke für die Info zur Dicke des Lots. Das es auch heute noch ~ 200 um sind, war mir nicht bewusst. Ganz schön viel!
Die unsäglichen verpasteten Heatspreader mit ausgetrockneter Paste drunter bei den Intel Prozessoren (bis zu Gen 8) sind mir auch noch in unschöner Erinnerung. Habe die zwar selbst nie geköpft, aber Deine Erfahrung bestätigt, was schon damals viele zum "Köpfen" bewegt hat; zT sind da wohl bis ~ 15 °K weniger durchaus drin gewesen.

Allgemein wundert es mich, daß bis heute weder AMD noch Intel Desktop CPUs anbieten, die ab Werk direkt am nackten Die angebrachte gute (!) Kühler mitbringen. (Also nicht diese unsäglichen Billigheimer, die zB Intel gerne zu ihren "In Box" CPUs dazupacken). Dazu könnten sie ja mit Herstellern wie Noctua, Arctic arbeiten, die in dem Bereich Erfahrung haben, und zB auch die Heatpipes gleich dahin legen könnten, wo die Hotspots sind. Dann noch entweder Graphen oder Phasen TR Sheet zwischen Die und Kühler, fest integriert. Allerdings müsste hierzu auch die Installation der CPUs überarbeitet werden, da es sonst zu einfach ist, hier Schaden anzurichten.

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Rantanplan

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34 Kommentare 32 Likes

Also bräuchte ich nur vorab eine Abdruckmasse (wie beim Zahnarzt), damit ich mein Gespann aus CPU und Kühlerfläche ausmesse. Die verfestigt sich dann und ich kann den Abdruck abziehen.
Nur - wenn ich schon die dafür geeignete Abdruckmasse benutzt hätte - habe ich dann kaum die Messmittel um den Abdruck zu bewerten und sodann die richtige Menge der geeigneten Wärmeleitpaste aufzutragen.
So hoffe ich, dass sich da bald "die" Allrounder-Paste oder "das" Standard-Putty für den Nicht-Enthusiasten benennen lässt.

Und wenn sich rumspricht, dass weniger hier mehr ist, dann gibt es sicher bald weniger Paste zum gleichen Preis (analog wie bei den Süßigkeiten).

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Rooter

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190 Kommentare 70 Likes

8255? Meinst du 8225? Gibt es nirgends zu kaufen. Oder wo? Die Beschaffung ist oft ein Problem. Welche Pasten würdest du empfehlen?

Nach einigen Monaten? Das ist dann aber ein Sample aus der Vorserie. Massenfertigung läuft erst seit Januar oder jetzt im Februar. Da wäre ich etwas vorsichtig.

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Igor Wallossek

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11,689 Kommentare 22,635 Likes

Ich habe bisher keine TC-5950 auftreiben können, bin aber dran, Originalpaste direkt als Muster von Dow zu bekommen. Shin Etsu schickt nichts, das habe ich mehrmals probiert, das wollen die gar nicht. Und der bezug aus unklaren Quellen beeinträchtigt dann möglichrweise den Wert der Evidenz. :(

Die PCM8000er habe ich bereits getetstet und sogar mal mit in einem Artikel gehabt. Völlig andere Zusammensezung und anderer Schmelzpunkt bzw anderes Verhalten beim Phasenwechsel. Das wäre mir sehr wohl aufgefallen. Zumal die Honywell-Pads auch komplett Siizium-frei sind und viele der Nachahmer-Präparate nicht. Bei meinem Sheet, aus denen ich mir die Pads schneide, bin ich mir da sehr sicher

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C
Cqptqin

Neuling

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Warum verabschieden wir uns bei CPU<>Kühler nicht von einer liquiden Masse die - selbst maschinell aufgetragen - im messbaren Bereich Unregelmäßigkeiten aufzeigt und verwenden Wärmeleitpads?

Ich sehe das als interessanten Ersatz um unsachgemäße (was ist hier eigentlich 'sachgemäß') Anwendung von Wärmeleitpasten zu reduzieren/abzulösen.

@Igor Wallossek - wie ist deine Einschätzung zu Wärmeleitpads vs Wärmeleitpaste im Bereich CPU?

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Gurdi

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1,397 Kommentare 920 Likes

Cool, ich bin gespannt Igor. Ich setzte seit jeher darauf, Paste so dünn wie nur möglich zu verstreichen. Dies macht nach meinen Messungen vor allem am HotSpot einen teils gravierenden Unterschied.

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Igor Wallossek

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11,689 Kommentare 22,635 Likes

Bei GPUs setze ich privat nur noch auf PTM, die halten einfach besser und ergeben konsistente Werte. Für CPUs und gute Kühler ist das aber eher nichts. Das werde ich auch genau begründen.

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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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