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

The performance of silicone-based pastes is of course also heavily dependent on their fillers, which determine their thermal, physical and chemical properties. I now divide the whole thing into three groups again, although there can of course also be special hybrid cases.

Metal-based fillers

Advantages:
Metals such as silver, copper and aluminum offer excellent thermal conductivity, which leads to more effective heat dissipation. Metal-based fillers retain their thermal properties even at high operating temperatures. A special case is the so-called liquid metal (LM)
Disadvantages:
Most metals are electrically conductive, which poses a risk of short circuits if the paste gets onto electrical contacts. The effort required for application is much greater than usual. Some metals can also corrode, especially in humid environments, which can degrade the performance of the paste over time. I’ll write a little more about liquid metal paste in a moment, as we need to go into a little more detail here.

Ceramic-based fillers

Advantages:
Ceramic fillers such as boron nitride, aluminum oxide and zinc oxide are electrically insulating, making them safe for applications where electrical insulation is required. They are also chemically inert and do not react with other materials or environmental conditions. Ergo, they offer high chemical stability.
Disadvantages:
Although they offer good thermal conductivity, they do not achieve the values of metal-based fillers. High-quality ceramic fillers can be more expensive than some metal-based alternatives, but they don’t have to be.

© igor’sLAB – finest zinc oxide (ZNO) and coarser corundum (AL2O3)

 

Corundum (aluminum oxide, Al2O3) and zinc oxide (ZnO) are both ceramic materials that are used as fillers in thermal conductive pastes to improve thermal conductivity. Both have their specific properties and advantages, but their thermal conductivities differ significantly. The thermal conductivity of corundum is typically in the range of 20-30 W/mK, although it can vary depending on purity and processing. Corundum is a very hard material with good thermal conductivity and excellent chemical stability. It is also electrically insulating. Due to its higher thermal conductivity, corundum is often used in high-performance thermal conductive pastes, especially where efficient heat dissipation is required.

Zinc oxide has a lower thermal conductivity compared to corundum, typically in the range of 2-5 W/mK. ZnO is also an electrically insulating material and is often chosen because of its availability and lower cost. Zinc oxide is therefore very often used in standard thermal conductive pastes where moderate thermal conductivity is sufficient and cost is an important factor. In practice, the choice between corundum and zinc oxide in a thermal compound is made on the basis of specific requirements for thermal conductivity, electrical properties, cost and other factors. In many cases, blends of both materials can also be used to achieve an optimal balance between performance and cost.

Carbon-based fillers

Advantages:
Carbon materials such as graphene and carbon nanotubes offer very high thermal conductivity and electrical insulation at the same time. These materials can be produced in different structures to meet specific requirements. This makes them extremely flexible to use.
Disadvantages:
The production of high-purity carbon materials can be expensive. Dispersion in the matrix is also a sticking point. The uniform distribution of carbon materials in the carrier matrix can be very challenging, which can affect the consistency of the thermal conductivity.

©igor’sLAB – Graphite powder tested by me

By combining different fillers, manufacturers can take advantage of each material to achieve an optimized balance between thermal conductivity, electrical insulation and cost. The development of such a paste containing different fillers requires extensive research and testing to ensure compatibility and performance. The so-called graphite pads, which have been promoted by marketing for many years, occupy a special position here.

Croy-compatible fillers

The choice of fillers plays a decisive role in the functionality of thermally conductive pastes at ultra-low temperatures. Fillers such as silver, aluminum nitride or boron nitride improve the thermal conductivity of silicone pastes. For use at ultra-low temperatures, however, it is important that these fillers do not undergo significant contraction or expansion, which could lead to microcracks or delamination. Fillers with similar thermal expansion coefficients as the silicone matrix material are preferable in order to minimize mechanical stresses during extreme temperature fluctuations. There are also various additives to improve cryogenic resistance.

Depth examination of thermal paste (ArcticMX-4): Searching for snake oil with scanning electron microscope and X-ray spectroscopy. What’s inside?

 

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

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Inzingor

Veteran

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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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96 Kommentare 50 Likes

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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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

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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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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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