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

Problems below zero degrees and LN2

The development of thermally conductive pastes that function reliably even at extremely low temperatures, in the so-called ultra-low temperature range, represents an important challenge in materials science and technology. In the PC sector, this also includes the special field of overclocking in the low or ultra-low temperature range, e.g. with liquid nitrogen (LN2). Silicone-based thermal conductive pastes are popular due to their inherent thermal stability, flexibility and chemical inertness. However, the performance of these materials can be impaired at very low temperatures due to an increase in viscosity or brittle behavior.

 

© igor’sLAB – Exemplary low temperature pastes

However, overclocking with liquid nitrogen (LN2) places extreme demands on the hardware and the thermal interface materials used, especially the thermal paste. Thermal pastes developed for this special area of application must work efficiently at extremely low temperatures, often below -196 degrees Celsius. These pastes are formulated so that they do not freeze under such conditions, maintain or even improve their thermal properties and do not develop cracks or fractures due to the extreme cold and the associated thermal stresses. Although these properties are essential for LN2 overclocking, the specific requirements and formulations of these thermal pastes make them rather impractical and in many cases completely useless for normal operation at room temperature.

Credit: Ronaldo Buassali (TecLab)

One of the key strategies to improve the ultra-low temperature performance of silicone is now to modify its polymer structure. Silicone polymers (polysiloxanes), as I just wrote on the previous page, consist of silicon-oxygen chains to which organic side groups are attached. The flexibility of these chains at low temperatures can be improved by introducing side groups with a lower glass transition point (Tg). For example, phenyl-containing silicones can remain flexible at lower temperatures compared to conventional methyl-containing silicones because phenyl groups increase the mobility of the polymer chain even at low temperatures.

This ability to withstand thermal contraction without cracking or delamination is critical, as any disruption in the thermal interface can significantly affect cooling performance. In addition, these pastes are designed to provide maximum thermal conductivity at temperatures well below freezing – a feature not required in standard applications.

Credit: Ronaldo Buassali (TecLab)

The addition of special additives can further improve the cryogenic resistance of silicone thermal pastes. Cryoprotective additives, such as certain polyalkylene glycols or cryofluids, can be embedded in the silicone matrix to prevent or minimize the formation of ice crystals within the paste. These additives can act as “anti-freeze” agents and ensure that the paste forms a homogeneous and conductive layer even under extreme cold conditions.

Optimization of processing and curing

The processing and curing conditions of silicone thermal pastes must also be optimized for use at cryogenic temperatures. Curing under controlled conditions can help minimize internal stresses that could lead to cracking during temperature cycling. In addition, selecting curing systems that cure at room temperature or under mild conditions can improve the integrity of the paste in relation to cryogenic applications. The modification of silicone in thermal pastes for cryogenic applications requires a multidisciplinary approach involving materials science, chemistry and physics. Through the targeted adaptation of the silicone polymer structure, the selection of compatible fillers, the use of cryoprotective additives and the optimization of processing sequences. However, I will come back to the use of cryo-compatible fillers later, but for now I will focus on the special matrix without which such a paste would never work.

© igor’sLAB – Kryonaut Extreme

Misunderstood marketing and high costs

The development and production of thermal pastes optimized for LN2 overclocking is costly. These costs are of course passed on directly to the consumer, making these pastes highly impractical for everyday use, especially when considering that conventional pastes offer similar or sufficient performance at room temperature at a fraction of the cost. Added to this are the over-optimized special properties, because although these make the thermal pastes suitable for extremely low temperatures in the first place, they are not only unnecessary in normal operation, but can also be directly detrimental. For example, a paste formulated for flexibility at extreme cold temperatures may be too soft or too fluid at room temperature, resulting in a sub-optimal thermal interface.

Specialty pastes can be more difficult to apply and require regular maintenance, which is impractical for the average user. The need to frequently reapply the paste or observe special precautions to ensure its integrity at room temperature can be more trouble than it’s worth. At room temperature, specialized LN2 pastes may offer no discernible performance advantage over conventional thermal pastes. The thermal requirements of normal operation are significantly lower, and the additional cost and potential drawbacks do not justify the use of these specialized pastes.

© igor’sLAB – Exemplary low temperature pastes

Interim conclusion and well-meant advice

While specialized thermal pastes for LN2 overclocking are indispensable in their field of application and enable remarkable performance under extreme conditions, they are generally not suitable for normal operation at room temperature. The properties that optimize them for extreme cold lead to compromises that make their use in standard applications impractical, costly and often unnecessary. For most users and applications, conventional thermal pastes specifically designed for the temperature range of normal operation are the far more sensible choice.

Twins? Thermal Grizzly Kryonaut Extreme vs. Kingpin Cooling KPx analyzed with scanning electron microscope and X-ray spectroscopy

 

 

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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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854 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

1

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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854 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

1

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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