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

Welcome to the Matrix!

So, let’s finally get to the paste! The so-called “matrix” in thermally conductive pastes refers to the basic substance or binder in which the thermally conductive particles are dispersed. This matrix is decisive for the physical, chemical and thermal properties of the thermal compound. It determines how effectively the paste can transfer heat between two surfaces, as well as its application properties, such as viscosity, durability and chemical resistance. And most people won’t know it: This matrix is usually more important and of greater significance than the heat-conducting particles that are added later.

While there are hardly any further optimization options for the heat-conducting particles, the chemistry of the matrix, i.e. the base of a paste or pad, is always good for a surprise! In thermal pastes, the matrix serves several key functions:

  • Carrier for thermally conductive particles:
    The matrix holds the thermally conductive particles, such as metals (silver, aluminum), ceramics (boron oxide, aluminum oxide) or carbon materials (graphite, carbon nanotubes, diamond powder), in an even distribution. These particles improve the thermal conductivity of the paste.
  • Heat transfer:
    Although the matrix itself does not always have high thermal conductivity, it is crucial for transferring heat from the hotter to the cooler parts by forming a continuous thermal bridge between the particles and the surfaces.
  • Mechanical properties:
    The matrix gives the thermal paste the necessary consistency and viscosity to allow easy application and form a thin, uniform layer between surfaces. These properties are important for minimizing thermal resistance.
  • Chemical and thermal stability:
    The resistance of the matrix to chemical reactions and its ability to remain stable over a wide temperature range affect the long-term performance and reliability of the thermal compound.
  • Electrical insulation:
    In many applications, it is important that the thermal compound is electrically insulating to prevent short circuits or electrical interference. The matrix plays a key role in ensuring this property, especially with non-metallic pastes.

The materials used for the matrix vary depending on the type of thermal paste. The choice of matrix and dispersed particles thus depends mainly on the specific application, including the required thermal conductivity, mechanical properties, chemical resistance and processability.

© igor’sLAB – In search of the right paste (industrial sample as blueprint)

You can divide the matrix into several groups, the first of which is usually the group that interests the PC user the most:

  • Silicone-based thermal compounds:
    What we mostly use are silicone-based thermal pastes. These are widely used due to their excellent thermal and chemical stability. They consist of silicone-based polymers that are enriched with thermally conductive fillers, such as aluminum oxide or silver. Their main advantages are their durability and ability to withstand a wide range of temperatures. However, they tend to have a lower thermal conductivity compared to some other (mostly metallic and therefore electrically conductive) materials, which makes them less ideal for some applications with extremely high heat transfer requirements. Silicone-based pastes tend to be less reactive, making them ideal for applications where chemical stability is important.
  • Ethyl ester based thermal pastes
    Esters are organic compounds formed by the reaction of an acid with an alcohol. They generally provide good lubrication and have a lower viscosity than silicones. Ethyl ester-based pastes, a less common category, utilize the organic compounds of the ester group to provide moderate to good thermal conductivity. They are useful in specific applications where chemical compatibility with certain plastics and materials is important. These pastes offer a good balance between thermal conductivity and electrical insulation, but can fall short of silicone-based pastes in terms of longevity and temperature resistance. This is because esters can oxidize or hydrolyze under certain conditions, which can affect their long-term stability. However, ester-based pastes are generally much more fluid and have a lower viscosity. This can allow for a thinner and more uniform layer, which can be beneficial in some applications.
  • Other non-silicone based pastes:
    These can be based on a variety of materials, including synthetic oils or even water for certain non-permanent applications.
  • Thermal pads:
    These typically consist of a polymeric matrix material enriched with thermally conductive fillers. The matrix materials can be silicones, acrylates or polyurethanes, while the fillers can consist of ceramic particles, aluminum oxide, boron nitride, silver or graphite. The selection and ratio of the fillers to the matrix are decisive for the thermal conductivity of the pad. In contrast, thermally conductive pastes are based on a more liquid base containing a mixture of oily or silicone-containing substances with similar thermally conductive particles. Pastes fill the micro-unevenness on the surfaces more efficiently, resulting in lower thermal resistance. The special properties of the thermal pads and the differences in the matrix used compared to thermal pastes are of central importance for their application and performance. The chemical stability of the polymer matrix in pads contributes to longevity and minimizes the risk of performance degradation due to aging or thermal cycling.

© igor’sLAB – Much too liquid matrix with too few filling particles in a new paste

Silicone-based pastes are a safe choice for many applications due to their versatility and durability, while metal- and ceramic-based pastes are preferred for applications with higher thermal requirements. Ethyl ester-based pastes can be useful in niche applications where specific material compatibilities are required. Carbon-based pastes offer innovative solutions for high-end applications that require optimal heat transfer. But I’ll talk about these thermally conductive particles in a moment. But on the next page I will first deal with the silicone-based carrier materials and then go into more detail on another page when it comes to temperatures far below zero. But that’s another story altogether…

Hybrid mixtures of silicone and ester

Mixing silicone and ester as binders in thermal pastes is theoretically quite possible, but there are some important considerations that need to be taken into account. Chemical compatibility between silicone and ester-based materials must be ensured. Poor compatibility can lead to separation or chemical reactions that affect the performance of the thermal compound. It is crucial to achieve a uniform mixture. Silicones and esters can have different viscosities and densities, which can lead to challenges in producing a stable and homogeneous mixture.

The thermal properties of the resulting mixture must be investigated. Thermal conductivity, temperature stability and long-term performance could be affected by the mixture. The physical properties such as viscosity, adhesion and consistency of the paste must also be taken into account. The mixture must have the right consistency for the application and remain stable. The long-term stability of the mixture must also be evaluated. Esters can oxidize or hydrolyze under certain conditions, while silicones are generally more stable. The mixture could then have a different ageing rate.

 

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Kommentar

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s
scotch

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153 Kommentare 103 Likes

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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10,227 Kommentare 18,929 Likes

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

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Inzingor

Veteran

198 Kommentare 120 Likes

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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96 Kommentare 50 Likes

Danke für den lesenswerten Artikel und

Gruß

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big-maec

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853 Kommentare 495 Likes

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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10,227 Kommentare 18,929 Likes

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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1,750 Kommentare 1,649 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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10,227 Kommentare 18,929 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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853 Kommentare 495 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

10,227 Kommentare 18,929 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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1,509 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

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10,227 Kommentare 18,929 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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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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