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

The grinding degree of the fillers: performance and costs

The production of optimal thermally conductive paste is a complex process that requires careful consideration of costs, performance and the selection of a suitable binder. A decisive factor in the development of a thermally conductive paste is the degree of grinding of the thermally conductive fillers. It is the measure of their particle size after the grinding process and plays a decisive role in determining the thermal conductivity, viscosity and applicability of the paste.

A fine grind results in smaller particles that offer a larger surface area in relation to their volume. This allows a denser packing of the particles in the matrix and can improve the thermal conductivity of the paste, as the heat flow is facilitated by the numerous contact points between the particles. However, too fine a grind can increase the viscosity of the paste, making it more difficult to use and favoring the formation of air bubbles that act as thermal insulators. A coarser degree of grinding, on the other hand, results in larger particles, which tend to have a smaller surface area in relation to their volume. This can lead to lower thermal conductivity, as there is less contact surface available for heat transfer. On the other hand, a paste with coarser particles can have a lower viscosity, which makes it easier to use.

© igor’sLAB – Different degrees of grinding in one paste

However, the choice of grind also influences the costs. The production of fillers with a fine grinding degree is generally more cost-intensive, as it requires more energy-intensive grinding processes and often also more complex separation and classification processes. These additional costs can increase the price of the finished thermal compound. Although manufacturing costs tend to be lower for coarser particles, sub-optimal thermal performance may result, which could be unacceptable in high performance applications.

Conventional grind sizes for the fillers used in thermal pastes vary across a wide spectrum, with each grind size offering specific advantages and disadvantages:

  • Micronized particles in the micrometer (µm) range:
    Many conventional thermal pastes use fillers that are ground into micron-sized particles, typically between 0.5 µm and 50 µm. This size provides a good balance between a high packing density of particles for efficient heat conduction and a manageable viscosity that makes the paste easier to apply. Particles in this size range help to apply the paste to the surface without offering too much resistance, while still allowing effective heat transfer.
  • Submicron and nanoparticles:
    Particle sizes in the subn-micron range below 1 µm down to about 100 nanometers (nm) are also popularly used to further improve thermal conductivity. These smaller particles can fill the spaces between larger particles and thus increase the thermal contact area within the paste. However, the incorporation of submicron and nanoparticles can increase the viscosity of the paste and make it more difficult to process.
  • Nanoparticles:
    Special fillers in the nanometer range (typically less than 100 nm) offer the potential for excellent thermal conductivity, as they have an extremely high specific surface area and can theoretically form a nearly continuous thermal conduction path. However, nanoparticles can present challenges in paste homogenization and stability and are more expensive to produce. Ideally, however, nanoparticles and micronized particles should be mixed.

The choice of grinding size also depends on several factors. Finer particles can improve thermal conductivity, but can lead to a point of diminishing returns if the viscosity becomes too high or if the particles agglomerate. A lower viscosity makes the paste easier to apply, but particles that are too coarse can reduce heat transfer efficiency. Finer grinds are generally more expensive to produce. The cost-benefit analysis must consider whether the improved performance justifies the additional cost. The selection of grind size in the manufacture of thermal paste is a truly critical step that affects the performance, applicability and cost of the final product.

Typical grain sizes and mixing ratio of common corundum-zinc pastes

The optimum composition and particle sizes of corundum (aluminum oxide, Al2O3) and zinc oxide (ZnO) in thermal pastes depend on various factors, including the desired thermal conductivity, viscosity, application temperature and chemical compatibility with other components of the paste. The particle size of corundum in thermal pastes is typically in the micrometer range (e.g. 1-10 µm). Finer particles can form a more uniform and thinner layer, which is an advantage in some applications. Zinc oxide particles in thermal pastes have similar sizes to corundum, often also in the micrometer range or even significantly below. The exact size depends on the desired consistency and conductivity.

There is therefore no “universally best” mixing ratio, as this depends on the specific application and the desired properties. A higher proportion of corundum can improve the thermal conductivity, as corundum has a higher thermal conductivity than zinc oxide. However, this can also increase viscosity and cost. Zinc oxide can be helpful in making the paste less dense and easier to apply, but offers lower thermal conductivity. For applications where high thermal conductivity is required (e.g. in high performance CPUs), a higher corundum content might be preferred. In less demanding applications, a higher proportion of zinc oxide may be sufficient to achieve a good balance between performance and cost.

The myth about so-called nanoparticles

The use of nanoparticles in thermal pastes is often touted as a breakthrough in thermal interface technology, promising improved thermal conductivity and superior performance over conventional pastes. While nanoparticles theoretically offer the potential to significantly increase thermal conductivity due to their exceptionally high surface-to-volume ratios and ability to fill micro-gaps more efficiently, there are practical challenges and considerations that limit their effectiveness in real-world applications. This often leads to the benefits of nanoparticles in thermal pastes being seen more as a marketing strategy rather than actually leading to optimal pastes. The reasons for this are truly manifold.

Nanoparticles tend to agglomerate due to their high surface energy, i.e. they clump together and form larger particle aggregates. This can make it difficult to distribute the nanoparticles homogeneously in the paste and reduce the efficiency of heat transfer. Agglomeration can also increase the viscosity of the paste, which affects its applicability and ability to form thin, uniform layers. The production and stabilization of nanoparticles are costly and technically challenging. The high cost of producing nanoparticle-based thermal pastes can overshadow the potential performance benefits, especially if the improvements in thermal conductivity are marginal or do not justify the additional cost.

Although nanoparticles can increase the potential thermal conductivity of the paste, the actual gain in real-world applications is often limited. Effective heat transfer depends not only on the conductivity of the paste, but also on the ability to form a thin, uniform and bubble-free layer between the surfaces. The increased viscosity caused by nanoparticles can undermine these requirements. Nanoparticles also bring potential safety and stability concerns. The long-term chemical stability of nanoparticles in binders and their potential impact on health and safety are areas that require further investigation. In addition, nanoparticles may pose challenges in terms of environmental compatibility and disposal. In some cases, the claimed benefits of nanoparticles in thermal pastes are driven more by marketing initiatives than by substantial, measurable improvements in performance. Consumers can be attracted by the assumption that “nano” automatically equates to superior technology, even if the real-world performance improvements are minimal or non-existent. It is important that consumers remain critical and evaluate actual performance data and cost-benefit ratios rather than relying solely on marketing promises.

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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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10,224 Kommentare 18,928 Likes

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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96 Kommentare 50 Likes

Danke für den lesenswerten Artikel und

Gruß

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big-maec

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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.

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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

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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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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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