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The Ultimate Thermal Paste and Pad Compendium: Application, Ingredients, Manufacturing, Optimization, Aging, Profit Margins and Marketing

What a thermal paste must and must not solve

For this, I’m going to go back to something that I discussed a long time ago. After all, there are no really smooth surfaces, even if they may look that way at first glance. Would you like to see a cool, unused CPU? I have something from AMD to start with, so please be brave. I can see something like this under the microscope:

AMD heatspreader

But even the Intel fanboys have no reason to gloat, because a current Core processor doesn’t look a bit better under the microscope. Different heatspreader, same problem. But see for yourself:

Intel heatspreader

Well, and the coolers too… The next picture shows the greatly enlarged copper base of a supposedly smooth radiator base. In addition to the tool marks left by the grinding process at the factory, we can still see the light-colored residues of the first thermal paste, which have crept in exactly where you can’t easily get them out with a normal cloth. This is why suitable solvents are always a must when rebuilding. Isopropyl alcohol is a good preventative measure against residual paste collapse. What good is the best paste if the old grime sticks even more firmly in the cracks than many politicians on their chairs?

Cool heatsink (copper)

If you now place two such surfaces on top of each other, i.e. the CPU heatsink and the cooler base, then the thermal paste must fill in all unevenness and air gaps and thus also completely exclude the air, which is an almost perfect insulator. The result is a composite of a total of three materials, in which we must now take a closer look at the thermal compound. This is because two things are primarily important here: the thickness of the layer and its thermal conductivity or, conversely, the thermal resistance. The former air layer between the CPU heatspreader (dark gray) and the copper base (reddish) is completely filled by the paste (light gray):

In addition to the grinding marks and material unevenness, the shape of the heatspreader also plays a role. The manufacturing processes are somewhat different, as is the curvature, unfortunately. The diagram below shows (somewhat exaggerated) why you can’t do without thermal paste and why you have to think a little when applying it to the processors of both manufacturers. Excess paste will certainly come out of the AMD processor a little easier than the Intel processor, which leads to a thicker layer more quickly. And we’ll discuss what this leads to in a moment.

I can also provide you with a practical example here, whereby in this case I have even measured the somewhat flatter processors that have already been used once. Let’s start with AMD again, in this case it’s a Ryzen 7 3800X (which could also be a Ryzen 7 5800X, as the IHS has remained the same):

And now all that again for a more recent Intel CPU:

Graphics cards deviate slightly here, as the chip is exposed. The most important thing here is to fill the possible gaps between the very straight and smooth die and the cooler base. Apart from the well-known problems with curved vapor chamber bottoms, significantly thinner layers can (and must!) be used here. Unless you have a current Ampere card such as an RTX 3080 or RTX 3090, where even the chip is convexly curved:

I will exclude the liquid metal fraction here anyway, because although the whole thing is subject to the same laws, it almost approaches the ideal due to the metallic connection. If you still want to do the math later, you are of course welcome to do so (and then quote the result). And to be completely honest, a good paste, together with good skills on the part of the user, can still achieve results that are not bad either. Know how.

Marketing and truth

Nobody can reinvent physics and bring groundbreaking products to the market that promise extreme differences. Sure, there is always room for improvement, but we have already reached the limits where conventional pastes can hardly improve significantly. Almost all of the pastes are now really good, unless you go for a completely discontinued or budget product. Thermal pastes are typically characterized by the highest possible thermal conductivity in the form of watts per meter Kelvin (W/(m*K)). Celsius and Kelvin are to be equated here, as it is only the rate of temperature increase that is important and the rise or fall in temperature is specified here. I will explain this information and why it is put together in this way in a moment.

It was precisely this “K” value of thermal conductivity that marketing discovered for itself some time ago and drives the helpless little K through the village as a compliant pig. Because the higher the value on the box, the more expensive the contents can be sold to the man (or woman or it). Of course, it’s not that the “K” value is completely irrelevant, but let’s do the math to see what difference is really noticeable and where the snake oil wellness begins. And usability is another factor that can influence the results achieved in practice more than the pure chemical composition.

And it is not even certain that the values printed on the product are correct. You can hardly check it anyway, especially as even the manufacturer sometimes doesn’t know or can’t check what he has actually printed on it and what it really contains. Or they do know, although the quality of the content varies Well, units are not that important, the main thing is that the number pays off. The industry remains silent, usually for good reason. After all, the pastes are actually produced by third parties and only then make their way via the bottlers and further processors to the traders in the field of thermal paste. And often enough, you then actually get an identical paste from different suppliers in the stores under different names. The profit margins? Tempting!

Skills versus snake oil? Not quite, but we’ll see on the next page that math can even be fun. So I’ll hold out the formula stick to you in a moment, you’ll just have to jump over it yourself. But you’ll get there. And as for marketing and profits: I even have a separate chapter for that later.

 

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Kommentar

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s
scotch

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Danke für den Artikel. Bis jetzt nur überflogen, werde ich mir aber noch in Gänze geben! Immer wieder Spannend. Vor allem Pads in aller Art ober auch Putty finde ich spannend.

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Igor Wallossek

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Ich sags mal so: die Leute lassen sich viel zu viel blenden :D

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Inzingor

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Guten Morgen! Vielen Dank für den großartigen Aufsatz während meines ersten Kaffees. Er bestätigt zahlreiche Vorversuche von dir und auch meine Vermutungen.

Ich habe auch schon ein paar Mal teurere Pasten z.B. von Thermal Grizzly gekauft, und die ist nach kurzer Zeit bereits eingetrocknet gewesen. Einmal kam sie sogar steinhart an. Seitdem kaufe ich nichts mehr von diesem Laden und verwende nur noch die günstigen Arctic - und das funktioniert bis jetzt tadellos.

So ein Graphit-Pad ist für meinen nächsten PC angedacht, damit ich mir die Patzerei komplett erspare.

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arcDaniel

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Danke für den Artikel, hier gibt es viel zu lesen.

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4medic

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Danke für den lesenswerten Artikel und

Gruß

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big-maec

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Habe den umfangreichen Artikel eher aus Neugier gelesen, einiges wusste ich ja schon aus vorherigen Artikel, aber einiges war mir auch neu.
Im Moment bin ich aber bei CPU/GPU von der Paste weg und setze vorzugsweise Graphen Pads ein in der Hoffnung das die bei höheren Temperaturen über 70 C° länger halten. Bis jetzt bin ich mit den Pads auch soweit zufrieden und erreiche damit gute Werte, habe aber auch festgestellt. Je nach Hardware können bei der Montage neue Probleme auftauchen.

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Igor Wallossek

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Ja, das ist alles etwas tricky, Graphan gibts ja noch nicht legal für Endanwender :(

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arcDaniel

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1,623 Kommentare 888 Likes

So habe nun den Artikel gelesen und für mich heisst das Zusammengefasst (für CPU/GPU Kühler):
-Ein Teueres Graphit-Pad, was auber ausgerichtet sein muss und was vielleicht nicht im Artikel explizit steht, wegen der dünne leicht reissen kann
-oder einfach eine ehrliche nicht zu teure Paste (ich nutze meist die Noctua NT-H2, 4Euro/gr) und wechsele diese wenn nötig

Das Säubern und neu Auftragen dauert keine 10 Minuten, wenn im vorfeld nicht übertrieben wurde und es funktioniert.

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Megaone

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Und immer und immer wieder. Solche Artikel finden sich nur bei Igor!

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m
mattiii

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16 Kommentare 8 Likes

deswegen nutze ich meist nur noch die mitgelieferte Paste der Kühler.
Bin früher aber auch mal aufs Marketing reingefallen, wegen idealerweise 2° besserer Temperaturen. :D

Und wenn man Punkte auf der CPU verteilt, ist auch die Viskosität egal, das macht dann der Anpressdruck.

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Megaone

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1,747 Kommentare 1,646 Likes

Vielleicht ist die Frage ja infantil, aber müssten nicht niedrigere Temperaturen die Lebensdauer der Pasten verlängern. Sowohl meine Wassergekühlte 3090 noch meine Luftgekühlte 4090 erreichen so gut wie nie die 65 Grad Grenze. Auch der Arbeitsspeicher der 3090 wird dank nachgerüsteter Pads nie heisser.

Handlungsbedarf besteht doch normalerweise erst bei steigenden Temperaturen?

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Igor Wallossek

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10,224 Kommentare 18,928 Likes

Das liegt einzig und allein an der verwendeten Matrix. Es gibt auch Hochtemperaturpasten und ein ganzes Kapitel zum Temperaturfenster bzw. auch zur Degradation.

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midwed

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Vielen Dank für den Artikel! (y) Werde ihn mir mal demnächst in Ruhe zu Gemüte führen 😄

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big-maec

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851 Kommentare 492 Likes

Okay, wusste ich noch nicht, aus Graphen kann man Graphan machen, mit einem kleinen Unterschied den man sich mal merken sollte.

Gibt es denn da schon Erkenntnisse oder Messwerte als Graphan-Wärmeleitpad ?

Hab da auf der Schnelle nur das gefunden:

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Igor Wallossek

1

10,224 Kommentare 18,928 Likes

Dazu stand was in einem meiner Artikel zu den Workstation-Grafikkarten.

.... Man benutzt eine komplett neue Art eines Wärmeleitpads und ich vermute hier, auch anhand der Materialanalyse, einmal Graphan statt des üblichen Graphens. Für Graphan statt Graphen spricht, dass man das Pad ziemlich sorgenfrei auch über SMD-Bauelemente gelegt hat, denn die reinen Graphit- oder Graphen-Pads sind elektrisch leitend. Also muss es die Materialanalyse richten. Wir sehen aber auch, dass es sich trotzdem auch um eine Art Phasenwechsel-Pad mit Burn-In handelt.

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Graphan, ein Werkstoff, der eng mit Graphen verwandelt ist, kann durch die Interaktion mit atomarem Wasserstoff erzeugt werden. Dieser atomare Wasserstoff wird mittels einer elektrischen Entladung in einem Wasserstoff-Argon-Gemisch produziert. In diesem Prozess wird jedes Kohlenstoffatom des Graphens mit einem Wasserstoffatom verbunden, wodurch Graphan entsteht. Die resultierende Bindungsstruktur von Graphan ähnelt der sesselförmigen Struktur von Cyclohexan. Interessanterweise verändert diese Wasserstoffbindung die elektronischen Eigenschaften des ursprünglichen Materials grundlegend. Während Graphen ein hervorragender elektrischer Leiter ist, wird Graphan zu einem elektrischen Isolator. Diese Eigenschaft macht Graphan besonders interessant für Anwendungen in der Elektronik, beispielsweise in der Entwicklung von Transistoren und Sensoren, oder aber für elektrisch isolierende Wärmeleitpads.

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:)

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Klicke zum Ausklappem
G
Guest

Das ist nichts neues!

1878: Zauberwunderwasserverkäufer. Wilder Westen. Mit Change auf Teeren und Federn ( KUndenbindung...lol) ( die Warzen der Damen wurden nicht..)(Texxas)
2024: TIG TOG : " wääär ist der größte und schönste Hochkantdepp im ganzen Land? Du mein Meister...etz.."

Danke für diesen Beitrag: maxximale Info.
Was wäre, wenn es diese Paste als Streifen ( wie Kaugummi) gäbe und den picken ( verz. kleben) die Leute auf
die CPU-Fläche? Und weil die Eigenschaft ist, sich unter dem Kühler/ Wakü nach starten des Rechners ideal zu ver-
formen und anzupassen, ist maximale Wärme abfuhr und jeweilige Form des zu kühlenden teils optimal gewährleistet.

Und warum muss CPU-fläche SO KLEIN sein? ich weiß eh..

LG stern stern stern stern stern Peace :)

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e
eastcoast_pete

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1,507 Kommentare 852 Likes

Wow, woran liegt das denn? Wenn Du @Igor Wallossek hier nicht unter NDA liegst oder Quellen schützen musst, würd mich der Grund dafür sehr interessieren.
Ich will (muß) nämlich demnächst Mal einen Laptop verarzten, dem wohl auch die Paste eingetrocknet ist (wird jetzt schnell sehr warm und drosselt), und eine dünne Graphan Pad oder Folie wär dafür genau richtig.

Und, danke für den tollen Artikel, der wird gleich mit einem eigenem Bookmark versehen. Und meinem Spellcheck hab ich auch erst gerade "Graphan" beibringen müssen, der wollte es nämlich gleich in "Graphen" ändern, denn das kannte er schon.

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Igor Wallossek

1

10,224 Kommentare 18,928 Likes

Zu neu und zu teuer. Da fallen keine großen Margen ab und es hat auch noch keiner für sich entdeckt. :D

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konkretor

Veteran

304 Kommentare 313 Likes

Wann gibt es Paste mit dem Igorslab Logo zu kaufen

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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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