Basics Cooling Practice Reviews Wärmeleitpaste und Pads

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

Unfortunately, I can’t spare you a little dry theory, but it’s important for a better understanding of the subject. The design and optimization of thermally conductive pastes for applications in electronics cooling or other heat-intensive processes is an ongoing field of research and development. Of course, a strict distinction must be made between genuine research by the actual manufacturers of the pastes or the basic materials and the marketing of most suppliers, because the one is based on cost-intensive further developments, while the other only becomes cost-intensive for the end customer if they ultimately have to pay for the gold-plated words.

A decisive factor for the effectiveness of these pastes is, of course, their ability to conduct heat efficiently from a source to a so-called sink. The basis of the pastes most commonly used in PC technology consists of silicone, which is modified with various fillers to achieve the desired thermal, mechanical and rheological properties. By modifying the side chains in the silicone polymer, specific properties such as viscosity and the stability of the mixture can be influenced, which in turn optimizes the performance of the thermal paste. And we’re not even talking about the mysterious additives! Now you’ll find out why I always write about the mysterious side chains as a control factor for the most important properties of the pastes and usability in many articles.

© igor’sLAB

Basics of silicone chemistry for thermal pastes

Silicone polymers, also known as polysiloxanes, are characterized by their special silicon-oxygen backbone structure. They are polymers that consist of a repeating unit that alternates silicon and oxygen atoms. The general chemical formula for this repeating unit in silicones is -Si-O–Si-O-. The flexibility of these S-O bonds gives silicones their characteristic elastic and thermally stable properties. The organic groups bound to the silicon have a significant influence on the physical and chemical properties of the polymer. By modifying these side chains, the interaction between the polymer chains and thus the overall behavior of the material can be changed. Each silicon atom is usually connected to two organic groups (e.g. methyl groups, -CH3). Is this all too chemical for you now? Don’t worry, I’ll spare you the rest, but of course we’ll take a quick look at the side chains.

Changing the side chains in silicone polymers offers a promising approach to optimizing the properties of heat-conducting pastes. By adjusting the viscosity and improving the mixing stability, these materials can be tailored for a wide range of applications. The challenge is to find the right balance between the different properties to achieve the best possible performance. Advances in the chemistry of silicone polymers and material processing techniques will continue to drive the development of thermal pastes that meet the increasing demands.

This includes the targeted selection of polymers with higher chemical and thermal stability. Controlling the mixing and curing processes can help to improve homogeneity and bonding forces within the matrix, reducing the risks of bleeding and dissolution.

Modification of viscosity by side chains
The viscosity of a thermal compound is critical to its applicability and performance. Too high a viscosity makes application difficult and too low a viscosity can lead to insufficient coverage. By introducing side chains with different lengths and branching, the mobility of the silicone molecules can be influenced. Long, unbranched side chains can lead to an increase in viscosity as they increase the interaction between the chains. Branched side chains, on the other hand, can reduce the viscosity by reducing the packing density of the molecules and thus increasing their mobility.

Stabilization of the mixture
The homogeneity and stability of the mixture of silicone and fillers is essential for the long-term performance of the thermal compound. Fillers such as silver, aluminum oxide or boron nitride are often used to improve thermal conductivity. The compatibility between these fillers and the silicone matrix material is crucial to avoid segregation or sedimentation. By adjusting the side chains of the silicone, the polarity or chemical affinity to the fillers can be changed, promoting better dispersion and bonding between matrix and fillers. Functional groups that can interact specifically with the fillers, such as amino groups or carboxyl groups, can be introduced into the side chains to improve the stability of the mixture.

Practical implementation
The practical implementation of these chemical modifications requires careful selection and synthesis of the modified silicone polymers. The synthesis can be carried out by various organic reactions in which the corresponding functional groups are introduced into the silicone chain. The modified silicone is then combined with the selected fillers in a carefully controlled mixing process to produce a homogeneous thermal compound.

© igor’sLAB – Kneadable thermal pad with boron nitride and stabilizing textile fibres

Special features of thermal pads and chemical modifications

The choice of polymer material for the matrix of a thermal pad influences its thermal conductivity, mechanical flexibility, chemical resistance and processability. Common polymers for pads include

  • Silicones:
    Provide excellent thermal stability and chemical resistance. Their flexibility allows them to adapt well to uneven surfaces, which reduces thermal contact resistance.
  • Acrylates:
    Are characterized by good UV resistance and a lower cost structure. However, they are less thermally stable than silicones.
  • Polyurethanes:
    Offer good mechanical strength and flexibility, but are more sensitive to moisture and higher temperatures.
  • Epoxy resins:
    Are known for their high mechanical strength and adhesion, but exhibit less flexibility.

To further improve the properties of thermal pads, chemical modifications can be made to the polymer matrix. These include

  • Cross-linking:
    Chemical or physical cross-linking processes can be used to transform polymers into a three-dimensional structure, which improves their thermal and mechanical stability.
  • Plasticization:
    The addition of plasticizers can increase the flexibility and processability of hard polymers, which improves their adaptability to surfaces.
  • Functionalization:
    The introduction of functional groups into the polymer can improve its interaction with fillers, resulting in increased thermal conductivity.
  • Hybridization:
    The combination of different polymers or the creation of copolymers can lead to an optimization of the property balance by combining the advantages of individual polymers.

The targeted selection and chemical modification of polymers enables the properties of thermal pads to be finely tuned:

  • Thermal conductivity:
    Adjusting the polymer matrix can optimize the distribution and bonding of fillers, resulting in improved heat transfer.
  • Mechanical properties:
    Flexibility, compressibility and mechanical strength can be adapted to specific application requirements.
  • Chemical and thermal resistance:
    Resistance to environmental influences and operating temperatures can be improved by selecting specific polymers and their modifications.

 

Controlling the viscosity of the matrix in detail

The viscosity of silicone oils can be controlled and changed using various methods. Silicone oils, which are silicone polymers, are known for their thermal stability and their wide range of viscosities. I want to go into more detail now, because this is a very important factor that also contributes significantly to optimizing a paste for a specific application, such as CPU and GPU cooling in a PC. It is important to note that the specific method for adjusting the viscosity of silicone oil depends on the requirements of the particular application. When selecting a method, the required properties of the end product, environmental conditions, processing methods and cost factors should be considered.

  • By increasing the degree of polymerization, i.e. lengthening the silicone chains, the viscosity of the oil can be increased. Longer chains increase the interactions between the molecules, which leads to a higher viscosity. Conversely, reducing the chain length leads to a lower viscosity.
  • As with most liquids, the viscosity of silicone oil decreases with increasing temperature. Heating can therefore be used to temporarily reduce the viscosity. On cooling, the viscosity increases. However, this effect is reversible and returns when the oil is brought back to its original temperature.
  • There are special additives (thickeners) that can be used to increase the viscosity of silicone oil. These can be fillers or other polymeric thickeners. However, it is important that the thickener is compatible with the silicone oil in order to achieve the desired properties and not cause any undesirable reactions.
  • A desired viscosity can be achieved by mixing silicone oils of different viscosities in specific ratios. It is extremely important to ensure a uniform mixture in order to obtain consistent properties throughout the product.
  • Viscosity can be influenced by introducing different functional groups or side chains into the silicone structure. Minor cross-linking can also lead to an increase in viscosity without turning the oil into a solid material.
  • In some cases, pressure can affect the viscosity of silicone oil, although this effect is usually less pronounced than with temperature changes.

 

 

216 Antworten

Kommentar

Lade neue Kommentare

s
scotch

Veteran

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.

Antwort 2 Likes

Igor Wallossek

1

10,224 Kommentare 18,928 Likes

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

Antwort 7 Likes

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.

Antwort Gefällt mir

arcDaniel

Urgestein

1,623 Kommentare 888 Likes

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

Antwort 1 Like

4medic

Mitglied

96 Kommentare 50 Likes

Danke für den lesenswerten Artikel und

Gruß

Antwort Gefällt mir

big-maec

Urgestein

851 Kommentare 492 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.

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

10,224 Kommentare 18,928 Likes

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

Antwort 1 Like

arcDaniel

Urgestein

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.

Antwort Gefällt mir

Megaone

Urgestein

1,747 Kommentare 1,646 Likes

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

Antwort 2 Likes

m
mattiii

Mitglied

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.

Antwort Gefällt mir

Megaone

Urgestein

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?

Antwort Gefällt mir

Igor Wallossek

1

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.

Antwort 2 Likes

midwed

Mitglied

35 Kommentare 7 Likes

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

Antwort Gefällt mir

big-maec

Urgestein

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:

Antwort Gefällt mir

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.

View image at the forums

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.

View image at the forums

:)

Antwort 7 Likes

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 :)

Antwort Gefällt mir

e
eastcoast_pete

Urgestein

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.

Antwort Gefällt mir

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

Antwort 1 Like

konkretor

Veteran

304 Kommentare 313 Likes

Wann gibt es Paste mit dem Igorslab Logo zu kaufen

Antwort Gefällt mir

Danke für die Spende



Du fandest, der Beitrag war interessant und möchtest uns unterstützen? Klasse!

Hier erfährst Du, wie: Hier spenden.

Hier kannst Du per PayPal spenden.

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.

Follow Igor:
YouTube Facebook Instagram Twitter

Werbung

Werbung