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The pump-out effect in thermal pastes: causes, solutions and estimation for the database

Strategies to avoid the pump-out effect

To minimize the pump-out effect, various strategies are required that take into account both the material properties of the thermal compound and the conditions under which it is used. A central starting point is the optimization of the matrix materials. The story of ever higher thermal conductivities has already been almost completely told, but there is still a real need for innovation in this area. Polymers with higher thermal stability and a lower coefficient of thermal expansion can reduce stresses, but are complex and expensive to develop. The DOWSIL pastes TC-5888 and the newer TC-5550 and 5960 are very good examples of this.

At the same time, chemical modifications, such as the introduction of cross-linking in the polymer structure, can increase the mechanical stability of the paste. Such cross-linking prevents the matrix from liquefying under high temperatures and being displaced laterally. We certainly remember my olfactory excursion with a Korean thermal paste. The choice of filler particles also plays an important role. Particles with a coefficient of thermal expansion closer to that of the matrix reduce the stresses between the two phases. The even distribution of the particles in the matrix also prevents the formation of weak points that could promote the pump-out effect. This also includes the particle sizes, which should not be too large.

Additives can further improve the properties of the paste. Thixotropic additives increase the viscosity of the matrix, especially at high temperatures, and make it more resistant to shear forces. Chemical adhesion promoters can improve the adhesion of the paste to the contact surfaces, making it more difficult to displace from the contact area. Such adhesion promoters ensure that the matrix adheres to the surfaces even at high temperatures and under mechanical stress.

Optimizing the layer geometry is another approach to minimize the pump-out effect. A uniform, thin layer not only reduces the thermal resistance, but also the mechanical stresses within the paste. Precise methods such as stencil printing can be used for application in order to precisely control the layer thickness. We recently discussed this very topic.

An alternative concept is the use of materials that eliminate the pump-out effect in principle or reduce it to a minimum. These include PTM (Phase Transistion Material), which I have already described often enough and which harden at operating temperatures and thus become mechanically more stable and, yes, are very promising. Such materials offer the advantages of a paste in adapting to surface irregularities, but retain their position after curing. Solid-state thermal interface materials, such as graphite foils or metallic pads, completely eliminate the displacement problem as they have no viscous matrix, but have other disadvantages such as very high interface resistances, which quickly puts the high nominal thermal conductivity into perspective.

Practical implementation and challenges

The implementation of the above strategies requires careful consideration of thermal conductivity, mechanical stability and practical applicability. Materials with improved mechanical properties could have disadvantages in thermal conductivity, as a higher particle density is required to reduce mechanical stresses. Likewise, additives or chemical modifications can influence the ageing properties of the paste, which could limit its service life. Another problem is the adaptation to real operating conditions. While laboratory tests focus on specific stresses such as temperature cycles or shear forces, in practice several factors often act simultaneously. Simulations and tests that take combined load scenarios into account are therefore essential to evaluate the actual performance of new paste materials.

Viscosity and particle dispersion – how not to do it

A less viscous silicone oil generally leads to faster solidification when filled with particles compared to a highly viscous oil such as the DOWSIL TC-5888. This effect can be explained physically and chemically and can even be illustrated with a practical example from the food industry: stirring oat flakes into milk or yoghurt. But I’ll come to that in a moment, because we’ll eat later. Let’s start with some theoretical basics first. You’ll have to get through that now.

Viscosity is a measure of the resistance of a liquid to flow. A highly viscous liquid flows slowly and creates great resistance to movement in its structure. A less viscous fluid has less resistance and flows more easily. In terms of silicone oil, a low viscosity means that the intermolecular forces are lower and particles in the liquid can be mixed more easily and quickly. This has advantages (lower costs, as it is quicker to produce), but also disadvantages. Which brings us back to my research, which confirms that KOLD-1 has a base matrix with a significantly lower viscosity.

When particles are added to a less viscous silicone oil, they can disperse relatively easily without much resistance to their movement. Due to the easier dispersion and the faster onset of the sedimentation process due to the lower viscosity, the particles adhere to each other more quickly and form more stable cross-links. This enables faster aggregation, which leads to rapid curing to the desired degree of strength. The disadvantage is that with the same degree of filling with thermally conductive particles and an otherwise identical mixing ratio, a significantly firmer, more viscous paste is produced.

In a highly viscous liquid such as the base matrix of the DOWSIL TC-5888 or the TC-5550, it takes longer for the particles to achieve a homogeneous distribution due to the greater friction and lower fluidity of the liquid. As a result, the particles need more time to arrange themselves in the spaces between the liquid and form stable structures. As a result of this process, the highly viscous silicone oil hardens more slowly and has a significantly longer processing time. This means that the strength of the material is built up more slowly, which is associated with higher costs due to a significantly slower manufacturing process, but also results in a better product in the end.

The right hydration process as a guarantee for quality and performance

Let’s illustrate this with oat flakes that are added to milk or yoghurt. Oat flakes that are added to a less viscous liquid such as milk absorb the liquid more quickly and therefore swell faster. Due to its low viscosity, milk spreads more quickly between the oats, which simplifies the interaction between the oats and the liquid and speeds up the absorption of the liquid. In a short time, the oat flakes become soft and the mixture thickens. The situation is different with oat flakes that are added to a highly viscous yoghurt. The higher viscosity of the yoghurt makes it more difficult to move and distribute the liquid around the oat flakes, which slows down the swelling process. The oat flakes need more time to be completely absorbed by the liquid and the mixture reaches its solid consistency more slowly.

This comparison shows that less viscous liquids allow faster penetration and arrangement of the particles due to their lower intermolecular resistances. For technical applications, this means that a less viscous silicone oil is advantageous when rapid curing and strength development is desired to save costs and time. High-viscosity silicone oils, on the other hand, are suitable when a longer processing time is acceptable, for example to achieve homogeneous distribution in more complex applications. These are also the better pastes, which of course cost more to produce, but also last significantly longer.

KOLD-01 (2024) with some particles over 15 µm

Oil binding capacity and silicone oil viscosity as an auxiliary tool for durability and performance

The right balance between the oil-binding capacity of a filler and the ratio to the total proportion of silicone oils used is crucial for the quality and properties of the end product. The oil-binding capacity of a filler is significantly influenced by its purity, surface structure and the particle size mentioned above. Pure and fine-grained fillers offer more surface contact and thus increase their ability to bind oil. Coarser particles, on the other hand, offer less contact surface and are often less effective at binding oil. Due to this correlation, the choice of filler directly influences the amount and viscosity of silicone oil required to achieve a stable and homogeneous mixture.

In practice, this means that the viscosity spectrum of the silicone oil used must be adjusted in order to optimally integrate the respective filler. A range of 1,000 to 250,000 cSt (centistokes) is common, depending on whether a higher or lower viscosity is required to achieve a stable and homogeneous dispersion. Fillers with a high oil-binding capacity may require lower viscosities as the particles tend to absorb and disperse the oil better, allowing for faster solidification. On the other hand, higher viscosity oils may be required if the oil binding capacity is lower or if a longer working time is desired, as these embed the particles more slowly and stabilize the mixture. Or you can do it like the manufacturer of the KOLD-01, who has optimized the particle sizes to the viscosity of the less viscous silicone oil. You have to come up with that first. Chapeau, and in all seriousness.

Normally, a mixture of different viscosities is often used instead of a fixed viscosity in order to achieve the desired physical and chemical properties of the material. The combination of different viscosities in the original makes it possible to control both the processing time and the curing speed of the material. The advantage of such a mixture is that a dynamic balance can be achieved between the rapid dispersion of the particles and the desired solidification. If you only have cheaper oils, you also have to control this effect via the particle sizes.

The precision in the coordination of oil binding capacity and silicone oil viscosity contributes significantly to the performance of the end product; this applies equally to both pastes, whether original or replica. Too much filler can lead to the oil binding capacity being exceeded and the mixture becoming unstable or not achieving the desired hardness. Too little filler, on the other hand, may cause the material to become too soft, as there are not enough particles to form a strong network with the silicone oil. A targeted adjustment of the mixing ratio between filler and oil, taking into account the optimum viscosity, ensures that the end product has the desired mechanical properties, such as strength, elasticity and stability, which are required for the respective application.

On the next and last page, we’ll explain how this works.

 

 

Kommentar

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Toran

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Guten Morgen,
ich weiß, dass Du hier manchmal einen Spagat zwischen "für alle Leser" und "wissenschaftlich/ingenieurstechnisch korrekt" hinlegen möchtest und man nicht jedes Wort auf die Goldwaage legen sollte.
Aber bei "chemischer Affinität" (Seite 1) als Maß für Anhaftungsneigung rollen sich wissenschaftliche Fußnägel hoch, das ist nur eine falsch verwendete Worthülse. Klingt technisch, passt hier aber gar nicht.

Ansonsten ist das Pump-Out offensichtlich schwierig exakt zu bestimmen, aber viel Erfolg, dass die Methode gute Voraussagen zulässt!

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Igor Wallossek

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11,652 Kommentare 22,535 Likes

Wie soll ich sonst die Wechselwirkungen, die auf molekularer Ebene auftreten und die Haftung oder Verbindung zwischen beiden beeinflussen, einfach beschreiben, ohne dass alle davonlaufen? Affinität versteht man wenigstens. Soll ich über kovalente oder ionische Bindungen sowie intermolekulare Kräfte wie Wasserstoffbrücken oder Van-der-Waals-Kräfte schreiben und über die chemische Polarität der Materialien und die Kompatibilität ihrer funktionellen Gruppen? Bäh.... ;)

Oberflächenenergie und Fähigkeit zur Benetzung würden die meisten noch verstehen, das gehört da auch mit rein, ja. Eine hohe Benetzung zeigt an, dass die Matrix gut mit dem Oberflächenmaterial interagiert, womit ich beim Allgemeinverständlichen wieder bei der chemischen Affinität angelangt wäre. :D

Dann sei doch bitte so gut, und nenne mir einen passenderen Ausdruck als Ersatz, dann baue ich das natürlich verbal um :)

Ich habs temporär, nach einigem Überlegen geändert in:

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Igor Wallossek

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11,652 Kommentare 22,535 Likes

Nach über 60 getesteten Pasten von supergut bis jenseits der Hölle, hat man schon einen gewissen Anhaltspunkt und Erfahrungsschatz. Es ist allerdings keine Prognose für die möglichen Langzeit-Haltbarkeit, sondern eher das abgekürzte Ausschlussverfahren für Pasten, von denen man sicher sein kann, dass die schneller versagen als es einem lieb sein dürfte. Das, was dann übrig bleibt, darf zumindest als brauchbar bezeichnet werden. Wie lange das dann hält, kann ich auch nicht ermitteln, das ist eine Zeitfrage. Steht aber auch genau so im Artikel.

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Hoebelix

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Und schon habt ihr mich verloren... ;)
Ich kram meine alten Yps Hefte aus und lerne nochmal was über Wissenschaft.

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eastcoast_pete

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2,196 Kommentare 1,403 Likes

@Igor Wallossek : richtig guter Hintergrund Artikel! Und, da Du schon vorher mal gefragt hattest: ja, ich würde das Thema auf jeden Fall in einem YT Video erläutern, das Video würde (glaube ich) viel Anklang finden!
Und eine Frage zu den möglichen Ursachen von Pump Out: Du schreibst es "können durch Vibrationen oder minimale Relativbewegungen Scherkräfte auftreten, die die Paste seitlich verdrängen..". Sind da auch schon relativ milde Unwuchten in den Lüftern die zu Vibrationen führen können, sich aber sonst kaum bemerkbar machen, uU ein möglicher Faktor?

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Igor Wallossek

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Gute Frage... Ich denke aber nicht, denn die Kühler sitzen ziemlich fest. Die kleinen Propellerchen sind da eher unschuldig. Aber ein PC im Wohnwagen wäre schon ein potentielles Opfer. Oder wenn ich meine Nuberts ständig trommeln lasse, das schafft sogar Risse in der Tapete an der abgehängten Decke.

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B
BembelBursche

Mitglied

10 Kommentare 2 Likes

Moin,

ohne zu doll in ner Wunde Bohren zu wollen, muss ich Toran recht geben. Versuche gerade die Nägel wieder gerade zu biegen :D

Ich finde es echt klasse, dass du dich dem Thema annimmst. Jeder kennt die verzweifelte Suche nach einer gescheiten Paste, nur in der Vergangenheit mal ne gesichert datenbasierte Entscheidungsgrundlage zu finden... mehr muss ich nicht sagen...

@Igor: Du führst hier sehr viele potenzielle Einflussgrößen, die zum Pumpout führen könnten ins Feld. Würdest du dich aus deiner Erfahrung hier etwas festlegen, welche den Größten Einfluss haben?
Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bestandteile einer dünn viskosen Matrix würde ich z.B. weniger in Betracht ziehen. Kontrahieren alle Komponenten beim Abkühlen und ist die Matrix fließfähig, sollten keine "Löcher" entstehen. Ein möglichst geringer Ausdehnungs-Koeffizient aller beteiligten wäre wichtiger. Höhere Relevanz würde ich vom Gefühl dann doch eher der Thermischen Ausdehnung von Chip, Kühler sowie Paste und des daraus resultierenden ansteigenden Druckes, der auf letztere ausgeübt wird, zuschreiben.
Mich überrascht auch immer noch der Effekt, dass Pasten zentral auf konvexen Chips austrocknen. Ich hätte eher erwartet das sich auf Grund von Kapillaren Kräften hier wieder entsprechende dünnflüssige Bestandteile der Matrix hineinziehen.
Ob ggf. ein Ausgasen einiger flüchtiger Komponenten der Siloxan-Matrix auftreten, und dies die Paste aus dem Spalt treibt, wäre auf jeden Fall interessant. Due besitzt nicht zufällig eine beheizte Vakuumkammer mit Sichtfenster?! :D

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OldMan

Veteran

293 Kommentare 108 Likes

gehst Du jetzt noch unter die Abrissunternehmer? Na ja, Plan B ist immer gut.

Sind den die Pasten oder was auch immer bei mechanisch belasteten Komponenten speziell dafür ausgelegt? Wenn ich hier z.B. an die ganze Elektronik im Auto denke oder noch extremer bei Baumaschinen oder Traktoren. Da sind ja inzwischen auch mehr oder minder Hochleistungsrechner verbaut die ja auch gekühlt werden müssen. Und da werden die Kühlkomponenten, also die Pasten, Pads oder Puttys ja auch nicht jährlich gewechselt.

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Igor Wallossek

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11,652 Kommentare 22,535 Likes

Laut vieler Wärmeleitpastenschaffenden, ist es vor allem der Mix, der es so scheinbar unbeherschbar macht. Wenn, dann bräuchte man zumindst einen ähnlichen Ausdehungskoeeffizienten und vor allem auch gleich große Partikel, was aber wiederum der Performance abträglich ist. Dow testet z.B. die Matrix auch, indem sie kilometerweit mit verschiedenen Gebindegrößen über schlechte Wege brettern (kein Witz), weil es keine sich wiederholenden Erschütterungen wie bei einer Rüttelplatte sind.

Sehe ich genauso, allerdings sind auch hier die Körnung und das Mischungsverhältnis ein genannter Faktor. Aber sehr wichtig wird es sicher nicht sein.

Druck und Gegendruck, ja. Wobei die thermische Ausdehnung der Paste m.E. der größte Faktor ist, denn Kühlerboden & Co. dehnen sich ja fast nur horizontal aus. Da kommt es zwar zu Verschiebungen, aber das ist eher marginal. Die Paste druckt sich quasi meist selbst raus.

Die Kapillarwirkung kann man eigentlich vergessen, das ist zu viskos. Gute Pasten haben eine viskoelastische Matrix, das ist ja am Ende auch das "Geheimnis" der Dow-Pasten. Die wollen da 7 Jahre daraufhin gearbeitet haben.

Nein, besitze ich nicht. Aber zumindest bei der Koreanischen Paste konnte ich mich auf meine Nase verlassen. Outgassing ist IMMER ein Thema, deshalb wird ja die Schicht nach dem ersten Zykls fast immer deutlich dünner. Ein Kollege meinte dazu, dass die Paste dann genau das wäre, was sie hätte ab Werk sein sollen. Oder andersherum: je langsamer und sorgfältiger man die Paste mischt, umso weniger wird ausgasen, wenn die Matrix kein Schrott ist :D

Und noch einmal zur Güte: Es ist echt kein Zuckerschlecken, nicht gleich in den den ersten Sätzen alle zu vergraulen. Mehr als die Sendung mit der Maus ist nicht drin, weil sonst alle dichtmachen. Ich werde auch einen Teufel tun, und hier den wissenschaftlichen Elfenbeinturm im Reinweiß neu anpinseln, nur weiß ich manchmal selbst nicht, wie man es runterbrechen soll, ohne irgendeinen damit anzupissen ;)
Genau deshalb habe ich ja auch darum geben, dass sich jemand, dem eine elgantere Wortwahl ohne inhaltliche Verluste einfällt, bitte melden möge. :)

Aber:
Ich möchte den Normaluser gern mitnehmen und auch etwas sensibilisieren, denn das Thema IST wichtig, leider. Und das wird mit steigender Wärmestromdichte und den immer kleiner werdenden Strukturbreiten der Komponenten auch nicht besser.

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T
Tom42

Mitglied

55 Kommentare 36 Likes

Schul-Chemie und -Physik. Ich kann zumindest mit den meisten Begriffen etwas anfangen... :cool:

Danke Igor für deine Artikel zu so wichtigen technischen Themen!

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Igor Wallossek

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11,652 Kommentare 22,535 Likes

Das war auch der Gedanke dahinter, auch wenn hier einige aus dem Wissenschaftsbereich hörbar schnaufen. Jetzt kann ich natürlich aus diversen Publikationen direkt zitieren, aber das wird dann schnell zur elitären Nischenveranstaltung. Ganz schmaler Grat :(

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Annatasta(tur)

Veteran

424 Kommentare 170 Likes

Mach bitte genau so weiter! Lieber ein "Erklärbär" als ein Wissenschaftler, der um jeden Preis versucht, sein elitäres Wissen nur mit einem elitären Kreis zu teilen!
Ich habe früher (ganz früher... 70er Jahre) auch ab und zu mal in der Urania gelesen und war danach genau so (un)schlau wie vorher, weil einfach viel zu viel Wissen zum Thema voraus gesetzt wurde.
Hier geht es ja darum, auch den Usern die nicht studiert haben, zu erklären wie etwas funktioniert oder auch nicht funktioniert.

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P
Pokerclock

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671 Kommentare 633 Likes

Die Miet-PCs der Firma sehen teilweise fünfstellige km-Zahlen im Laufe ihres Lebens als Miet-PC. Meistens gefahren auf der Transportfläche eines Transit's bzw. 3,5t Kastenaufbau mit Hebebühne (speziell die federn mal so richtig schlecht). Das geht sehr schnell. Morgen fahre ich drei recht teure Workstation-Systeme nach Berlin (570 km). Danach geht es mit den Systemen rüber nach Köln (Kunde lässt dort Dinge programmieren) und von dort aus in die Schweiz (Einsatzort der PCs). Dann von der Schweiz wieder nach Berlin und dann von Berlin wieder hierher zurück. Mal eben 2,5km Strecke, was die PCs auf einer Ladefläche zurücklegen werden. Transportiert werden die PCs in Auer-Kisten mit Schaumstoffinlay. Das funktioniert seit Jahren hervorragend. Ich konnte hier keine krassen Veränderungen an den Temps feststellen, die das Wechseln der WLP auf der CPU erforderlich hätten machen müssen.

Anders sah das noch damals mit dem Versand per DHL-Paket aus mit eingebauter Grafikkarte. Neue Grafikkarte, hier alles wunderbar. Ein DHL-Versand später, Kunde reklamiert extrem hohe Lautsstärke und in der Folge gigantische Hotspots. Seitdem ich die Grafikkarten separat beilege, gibt es das Problem nicht mehr. Lediglich der normale Pumpout, der so 6 bis 24 Monate nach Kauf eintritt. Da kann man im PC auspolstern wie man will, das funzt alles nicht. Auch nicht diese aufblasbaren Chemiebeulen.

Was Erschütterungen überhaupt nicht abkann, sind AIOs. Entweder gehen die Pumpen kaputt oder die Ablagerungen setzen die Kühlfinnen zu. Das war ein Riesenproblem, was sich nur durch einen Wechsel auf kompakte Turmkühler lösen lässt. Zu große Tirmkühler wiederum hängen irgedwann auf Halbacht im Gehäuse.

Also wenn DOW testen möchte, ich haba ein paar Miet-PCs als Probanden. :ROFLMAO:

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Igor Wallossek

1

11,652 Kommentare 22,535 Likes

Man muss aber wirklich aufpassen, dass der Inhalt nicht verwässert wird. Aber ich merke mal wieder, dass das alles schwieriger ist, als was zu messen und nicht erklären zu müssen :D

Die fahren aber auf der Schotterpiste und nutzen großvolumige Gebinde. Deine eingequetschte Paste kann ja nicht mehr weg :D

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B
BembelBursche

Mitglied

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Tut mir leid wenn das für den ein oder anderen kleinkariert rüber kam. Es soll bei weitem nicht deine Arbeit geringschätzen, also bitte auf keinen Fall persönlich nehmen!
Ich gehe davon aus das einige Leser hier für sich das ein oder andere mitnehmen und ich hatte bisher auch stets den Eindruck genau das liegt dir sehr am Herzen. Wenn nun z.B. ein Fachbegriff Verwendung findet der für etwas tatsächlich anderes steht, Nehmen die Leute leider neben dem Bild im Kopf, welches im Besten fall genau dem entspricht was vermittelt werden soll, auch den Begriff mit.
Manche Begriffe sind in einem Kontext im ungünstigsten Fall einfach nicht richtig und daran kann man nix rütteln, da bitte ich auch von fachlicher Seite her um Nachsicht :)

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P
Pokerclock

Urgestein

671 Kommentare 633 Likes

Also da sind mehr als genug Straßenabschnitte in D, bei denen man froh wäre, wenn man eine Schotterpiste als Alternative hätte. A7 zwischen Hannover und Hamburg z.B.

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OldMan

Veteran

293 Kommentare 108 Likes

Also hier schlägt mein Asperger wieder voll zu! Ich finde die Art und Weise wie @Igor Wallossek das erklärt für mich richtig toll. Ich sauge das auf und dann bleibt das in meinem Gehirn. Beiträge wie von Dir, die dann die Fachbegriffe "richtig" stellen verwirren mich anfangs komplett, weil ich das dann im ersten Moment nicht verstehe. Und da MUSS ich dann, ob ich will oder nicht, mich mit der Thematik näher beschäftigen dass ich das für mich wieder auf die Reihe bekomme. Dabei stoße ich dann auch ab und an auf sehr seltsame Quellen wie hier https://www.digitale-sammlungen.de/de/view/bsb10302398?page=,1

Für mich ist das also nicht kleinkariert sondern lehrreich. Somit auch Danke für deinen Beitrag

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big-maec

Urgestein

965 Kommentare 579 Likes

@Igor Wallossek,
könnte man am TIMA 5 mit der Wärmebildkamera anhand der Wärmeverteilung einen Unterschied sehen zwischen der besten und der schlechtesten Paste?

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B
BembelBursche

Mitglied

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Da hast du aber auch was ausgegraben xD

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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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