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Thermal paste database version 3.0 – More accurate and practical data, a technology upgrade and well over 100 tested pastes

Summary and conclusion

The aim of today’s analysis was to understand the actual thermal effect of thermal conductive pastes under practical conditions and to show why simple temperature measurements on a CPU are only of limited value. The entire thermal resistance chain was considered, from the silicon source to the cooling medium. The basis was the differentiation between CPU and GPU setups, supplemented by direct die scenarios in which the influence of the paste is particularly pronounced. In all cases, it was taken into account that the paste does not act in isolation in practice, but is embedded in a serial chain of fixed and variable resistances.

While a typical desktop CPU with 65 to 125 watts and a large heatspreader is distributed over an area of around 800 to 900 mm², a modern GPU usually operates with several hundred watts of power dissipation over a few hundred square millimeters. This leads to completely different heat flux densities. A CPU rarely achieves more than 0.5 to 0.7 W/mm², with GPUs the value is often between 1 and 2 W/mm², with overclocking or workstation chips even higher. This increasing heat flux density means that the proportion of paste resistance in the overall chain increases significantly as the surface area decreases. While the paste almost disappears thermally in the noise with CPUs, it becomes a decisive factor with GPUs or direct die cooling.

Comparison between high-quality, mediocre and poor pastes

The measurement results clearly show that the differences between a high-quality and an average paste depend heavily on the specific load situation. On a CPU with a large IHS and a moderate heat load, the temperatures often differ by less than one Kelvin with optimum application. Here, the thermal resistance of the heatspreader and the cooler dominate, so that the influence of the paste remains barely measurable. However, as soon as the heat flux density increases, the differences increase significantly. For GPUs with 250 to 450 watts and chip areas between 250 and 600 mm², the temperature differences between a very good paste such as HY-P17 and a mediocre paste are between three and eight Kelvin, depending on the layer thickness. In extreme cases, such as with direct die cooling or very small dies, the difference can be over 15 Kelvin.

Influence of coating thickness, importance of application, surface reality and mechanical contact problems

The coating thickness (BLT) has the greatest influence on thermal performance in all scenarios. As the BLT decreases, the heat conduction path decreases exponentially, causing the temperature difference between die and cooler to decrease rapidly. A thinly applied mediocre paste can therefore perform better than a very conductive but too thickly applied premium variant. It is crucial that the paste remains both mechanically stable and permanently resilient, as very thin layers can be prone to pump-out effects or drying out under temperature cycles if the chemical matrix is not designed for this.

In practice, the contact surfaces of IHS and radiator floors are rarely ideally flat. They are usually slightly curved or have microscopic unevenness that would lead to air gaps without paste. These microscopic separating layers have an extremely low thermal conductivity and are therefore the real reason why the paste is indispensable. A good thermal paste must therefore not only have high conductivity, but must also be able to completely fill the surface roughness and adapt elastically without losing its structure.

Special case of direct die cooling

Direct contact between the cooler base and the silicon die has its own thermal laws. The contact surface is very small here, but the heat flux density is extremely high – often several watts per square millimeter. As a result, the paste has a direct limiting effect on maximum heat dissipation. Even a layer that is too thick or an air pocket can increase the temperature by double-digit values. At the same time, the layer must not be too thin in order to avoid the risk of mechanical stresses and microcracks in the silicon. The area of application therefore requires pastes with low viscosity, high homogeneity and a demonstrably stable matrix structure.

Conclusion

The thermal evaluation of a paste should never be based solely on its nominal thermal conductivity. The entire resistance chain and its relationship to the occurring heat flux density are decisive. A mediocre paste can perform practically as well as a high-end variant on large CPUs, while it falls massively behind on a GPU or with direct die cooling. The application is just as important: an evenly distributed layer that is as thin as possible is far more effective than a material with a high λ value that has been applied too thickly or unevenly in practice. The “a lot does no harm” is an urban legend that may only work to some extent for CPUs with heat spreaders.

The quality of a thermal compound is not only measured by the number in the data sheet, but also by the interplay of material properties, layer thickness and surface contact. For CPUs with large heatspreaders, the influence is limited, so that even mediocre pastes are sufficient, provided they are applied correctly. With increasing heat flux density, such as with GPUs or direct die cooling, the influence of the paste increases significantly, and high-quality materials can cause temperature differences in the double-digit range. Thin, stable layers are more effective than any nominally high thermal conductivity. The decisive factor therefore remains the physically correct application and understanding of the entire thermal resistance chain and not the belief in laboratory values, which are hardly ever achieved in real construction. That’s exactly why I maintain my database.

Test Setup and Methods Material analysis and microscopy Basic knowledge
Here you can find out why effective thermal conductivity and bulk thermal conductivity can be completely different in practice, what role the contact resistance between the surfaces and the paste plays and how thermal paste can be measured accurately. There is also a detailed description of the equipment, the methodology and the error tolerances. You will learn how laser-induced plasma spectroscopy works and the advantages and limitations of the measurements. There is also high-resolution digital microscopy and analysis of particle sizes. This information is also used to estimate the long-term stability of a paste. Anyone who has always wanted to know what is or is not in a paste and how these pastes are produced will find what they are looking for here. The basic article provides a better understanding of what is often sold for far too much money and sometimes with adventurous promises.

 

Kommentar

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eastcoast_pete

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3,083 Kommentare 2,046 Likes

Zunächst einmal: Gratulation zu der nochmals verbesserten Messmethodik und den Daten! 👍🏻👍🏻👍🏻
Das war viel Arbeit, und wird mit Sicherheit oft konsultiert und weite Verwendung finden!

Und auch Danke dafür, auch zumindest exemplarisch Notebook CPUs/APUs mit zu testen! Die produzieren zwar meistens weniger Wärme als große CPUs, aber die Entsorgung erfolgt dafür unter oft schwierigen Bedingungen, nicht zuletzt wegen der bauartbedingten Begrenzungen beim Luftstrom und der geringen Höhe und Volumens der Heatsinks.

Und dann noch die Frage: wo würde ich denn Daten für eine PTM Folie/Pad finden, wenn ich sie mit denen von guten Pasten vergleichen will? Geht das in der interaktiven Tabelle ? Gerade bei mobilen Geräten kann schon das einmalige Repasten der CPU/APU eine echte Zitterpartie sein (die Bandkabel - ribbon cables- sind zT mechanisch sehr empfindlich), weshalb man (ich) es wenn möglich nur einmal machen will. Daher auch das Interesse an PTM Pads/Folien, die halten wohl ziemlich lange.

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Vergleiche am besten die Rth werte bei 15 bis 25 µm. Vielleicht mache ich auch mal ein Special dazu, ist eigentlich eine gute Idee :)

PTM und Paste bei 4N auf min BLT pressen und dann den Rth checken. Natürlich mit mehreren Zyklen, sonst ist es ja sinnlos.

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ipat66

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1,791 Kommentare 1,993 Likes

Danke Igor für die morgendliche „Formelsammlung“ !

Einiges werde ich dann doch noch heute Nachmittag, mit aufgewecktem Gehirn, lesen. Zumindest das Fazit und einige grundsätzliche Betrachtungen habe ich begriffen …

Schön, dass Du die Anlage nochmals überarbeiten und verbessern konntest.

Gratulation zu den zwischenzeitlich fast 5 Millionen Views. Wünsch Dir den gleichen Erfolg mit der ( bald erscheinenden? ) Lüfter Testanlage :)

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Wir hatten mittlerweile noch diverse Änderungen und das hier war jetzt endlich die letzte Entscheidungsfindung vor dem finalen Druck, wie sie am besten angeordnet und aufgestellt werden. Man muss es ja auch ohne Verrenkungen ergonomisch korrekt bedienen können, egal ob man nun .170 order 1.80 Meter groß ist. Ich denke da auch an meinen Nachwuchs. Wir benötigen zudem zwei Anlagen, eine für 120 und eine für 140 mm. Das Problem von Aris' Longwin ist, dass sie keine Vorkammer besitzt, weil es ja eigentlich ein normaler Windkanal ist, der für Lüftertests lediglich umgewidmet wurde und alles umfassen muss. Kann man machen, aber es ist doch sehr abhängig von der Lüftercharakteristik und dem Durchmesser. Unsere Werte sind generell etwas höher als bei Aris, aber das Verhältnis zwischen den Lüftern ist das gleiche und die Werte passen auch ziemlich genau zu den Angaben der ehrlichen Hersteller. Das kann man so lassen. Wir arbeiten mit Sauermann-Technik einschließlich der Hitzedraht-Sonden und der Schnittstelle, die Software zur Auswertung und Steuerung kommt von Aqua Computer. Ich will definitiv keine Experimente mehr, ich bin damals lediglich vor den fünfstelligen Kosten zurückgeschreckt. Diese Hemmschwelle habe ich mittlerweile Gott sei Dank überwunden. :D

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Tronado

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5,503 Kommentare 3,115 Likes

Viele hier können sicher deine Auswahlliste nach Schichtstärke und Anwendungsfall bedienen.
Für unbedarftere Nutzer von außerhalb wären weniger wissenschaftliche, einfache WLP-Charts mit je einer CPU- und GPU-Liste sicher besser geeignet? Im Forum konnte man bereits lesen, dass teilweise Ergebnisse fehlerhaft interpretiert wurden.
Wer weiß schon genau, ob die Schichtdicke zwischen Kühler und CPU-Heatspreader 50, 75 oder 100 Mikrometer dünn ist?

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Deshalb ist doch die Unterteilung in Smooth, Rough und Gap Filler ideal. DIE beste Paste gibt es nun einmal nicht und mit Empfehlungen tue ich mich aus Gründen immer schwer. Für die meisten guten CPUs und Kühler sowie die GPUs gilt die Voreinstellung Smooth

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Steht alles drin. Vielleicht kann man ja noch den Text anpassen, für Vorschläge bin ich offen

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ssj3rd

Veteran

378 Kommentare 253 Likes

Auch von mir ein Danke, bin in letzter Minute dann doch von Duronaut zu HY-P17 gewechselt für den neuen Rechner, als ich erfahren hatte das sie einen eigenen eBay Shop mit garantiert Originalware haben 🙏

Tipp:
Wer laut Tabelle nicht weiß wer hier „beste“ ist, einfach Foto machen und durch eine Ki jagen, mir sagt auch einiges nicht. Bin nicht sooo tief im Thema drin, will ich aber auch nicht.

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echolot

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1,312 Kommentare 1,060 Likes

Wow! Next level. Wissenschaflicher geht's nimmer. Was macht euer Prüfstand für Lüfter?

Nachtrag: Da war jemand schneller.

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Martin Gut

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9,265 Kommentare 4,664 Likes

"Während eine typische Desktop-CPU mit 65 bis 125 Watt und großem Heatspreader auf eine Fläche von rund 800 bis 900 mm² verteilt wird, arbeitet eine moderne GPU meist mit mehreren Hundert Watt Verlustleistung auf wenigen Hundert Quadratmillimetern. Das führt zu völlig unterschiedlichen Wärmestromdichten."

Das kann ich so nicht ganz stehen lassen. Bei einer GPU verteilt sich die Wärmeproduktion relativ gleichmässig auf die ganze Fläche des Chips. Dadurch gibt auch die ganze Oberfläche der GPU die Wärme gleichmässig an die Paste und den Kühler weiter. Somit passt da die Berechnung.

Bei einer CPU verheizen die Prozessorkerne etwa 80 bis 90 % der ganzen Abwärme. Diese verteilen sich aber nicht gleichmässig auf die Chipfläche und schon gar nicht auf die ganze Fläche des Heatspreaders gleichmässig, so dass man da nicht einfach Wärmestrom durch Fläche mal Wärmewiderstand rechnen kann um auf die Temperaturdifferenz zu kommen. Das ergibt die durchschnittliche Temperaturdifferenz auf der ganzen Oberfläche. Für den Prozessor entscheidend ist aber nicht der Durchschnitt sondern der Hotspot direkt über den Kernen. Die CPU muss ja abregeln, sobald dieser Bereich etwa 100 Grad erreicht. Also ist nur entscheidend, wie gut dieser Bereich gekühlt ist.

Die Fläche der CPU-Kerne ist bei älteren Intel-CPUs etwa 15 x 4 mm gross. Auf dieser Fläche werden gerne mal 100 bis 250 Watt verheizt. Bei anderen CPUs sieht das etwas anders aus. Bei Ryzen verteilt es sich teilweise auf zwei DIEs, aber die Prozessorkernfläche wird dadurch auch nicht bedeutend grösser.

Durch die ca. 0.5 mm Silizium des Chips verteilt sich die Wärme bis zur Chipoberfläche vielleicht auf eine Fläche von 16 x 5 mm, also nur etwa 80 mm2 und bei weitem nicht die ganze Chipfläche. Zur Fläche weiter aussen ist der Wärmewiderstand zu gross, so dass dieser Bereich recht wenig zur Kühlung beiträgt. Wenn die Wärme erst seitwärts durch 5 mm Silizium wandern muss, entsteht dadurch bereits eine viel höhere Temperaturdifferenz und der Anteil an der Kühlung bleibt gering. Bereits bei einer Direct-DIE-CPU kann man somit nicht die ganze Fläche gleichmässig in die Formel einsetzen um auf die entstehende maximale Temperaturdifferenz zu kommen.

Wenn von einer CPU nur ein oder zwei Kerne ausgelastet sind, sieht es noch schlechter aus. Auch nur ein oder zwei Kerne können bei maximalem Takt ja durchaus bereits die die Hälfte oder mehr der gesamten CPU-Leistung verheizen. Dann hat man sogar 100 bis 200 Watt auf etwa 4 x 4 mm, so dass diese Kerne meist ins Temperaturlimit laufen.

Durch einen Heatspreader verteilt sich die Wärme der Prozessorkerne natürlich auf etwas mehr Fläche. Aber auch hier kann man nicht die ganze Heatspreaderfläche gleichmässig rechnen. Wenn sich die Wärme schräg ein wenig ausbreitet, sind es vielleicht 13 x 20 mm, die den grössten Teil der wärme abführen können müssen. 260 mm2 sind aber noch weit von der ganzen Heatspreaderoberfläche entfernt (im Beispiel 840 mm2). Im Bereich über den Prozessorkernen ist die Temperaturdifferenz in der Wärmeleitpaste also auch etwa drei mal so hoch, wie wenn man die durchschnittliche Differenz mit der ganzen Fläche berechnet. Die Äussere Fläche des Heatspreaders trägt zur Kühlung der mittleren Bereiche recht wenig bei.

Dass eine CPU eine bedeutend kleinere Wärmestromdichte hat als eine GPU hat, stimmt so nicht. Über den Kernen kann sie durchaus ähnlich oder höher sein. Darum ist auch die Temperaturdifferenz höher und die Prozessorkerne laufen heisser als bei einer GPU üblich. Die Wärmeleitpaste ist bei einer CPU dadurch auch nicht weniger wichtig als bei einer GPU.

Ich würde darum nicht die ganze Chipfläche und auch nicht die ganze Heatspreaderfläche als gleichmässig Wärme abgebende Fläche rechnen. Vereinfacht kann man eine kleinere Fläche über den Chips rechnen. Wenn man das ganze genauer rechnen möchte, dann muss man das auch richtig dreidimensional simulieren und nicht einfach die ganze Fläche als voll wärmeabgebend rechnen. Sowohl Silizium als auch Kupfer sind viel zu schlecht leitend, als dass auf einem Weg bis zur Seite der einen cm länger ist immer noch gleich viel Wärme abgeführt würde. Entscheidend für die CPU ist immer die Situation direkt über den am stärksten heizenden Bauteilen und nicht die durchschnittliche Situation auf den ganzen Heatspreader verteilt gerechnet. Sonst würden schwächere CPUs mit weniger Leistung die ja den gleich grossen Heatspreader haben ja nie warm.

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Robofighter

Veteran

153 Kommentare 89 Likes

Vielen Dank Igor für deine Mühe und deinen finanziellen Einsatz was heutzutage nicht mehr selbstverständlich ist. Du hilfst allen Anwendern bei der Wahl ihrer Wärmeleitpasten. Die Auswahl ist mittlerweile so groß ,das mittels deiner Datenbank , jeder für sich entscheiden kann auf welche Kriterien er Wert legt.Gut das du auch immer wieder mal neue Chargen testet. Den Herstellern kann man speziell bei diesen hochpreisigen Pasten nicht mehr trauen. Schade aber das ist das real Life.

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eastcoast_pete

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3,083 Kommentare 2,046 Likes

Als Vorschlag für zusätzliche Informationen zu den Unterteilungen (Smooth - Rough - Gap Filler): ein paar (Paar) Bilder mit Beispielen für jedes Szenario. Diagramme hast Du ja bereits drin, die sind auch sehr hilfreich, aber man muss dann immer noch überlegen, wann das jetzt zutrifft. Manchmal sagt ein Bild eines konkreten Beispiels tatsächlich mehr als 1000 Worte.
Ich würde zB annehmen, daß ein ziemlich konkaver Heatspreader wie bei einem Raptor Lake (also Socket 1700) irgendwo zwischen smooth und uneven liegt, aber annehmen heißt eben auch daß ich es nicht sicher weiß.

Und, zum Thema Lüfter: bei Lüfter für Gehäuse (und auch für Radiatoren) gehen die Dimensionen bereits bis 180 mm Durchmesser und 40 mm Dicke. Braucht man dann für die nochmal eine Anlage? Wenn ja, ist dann irgendwann einmal das Kosten/Nutzen Verhältnis wohl nicht mehr gegeben. Wie macht Aris denn das mit dem Anpassen an die Größen in seiner LongWin?

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Im Heatspreader des Ryzen sind diese Faktoren im Rth mit eingepreist. Sowohl Headspreader als auch Heatsink funktionieren besser als man glauben möchte. Genau deshalb unterscheiden sich ja direct die und IHS so extrem. Ich habe die Annäherung aus einem realen Ryzen System abgeleitet und zurück gerechnet. Einschließlich Konvektion im Kühlsystem.

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Er wechselt einfach eine Platte am Einlass. Strömungstechnisch ist das Käse, aber annähernd kommt das schon hin. Allerdings sind 180er Nische. Die Dicke spielt fast keine Rolle. Das System ist flexibel.

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Lagavulin

Veteran

360 Kommentare 302 Likes

Vielen Dank für die sehr aufwändige Arbeit die Du Dir machst, um uns mit fachlich fundierten und belastbaren Daten zu versorgen. Die Datenbank und Vergleichsmöglichkeiten von Pasten und Pads sowie die Ausführungen zur Interpretation der Daten helfen mir sehr. Für mich ist das der Gold-Standard für Tests von Wärmeleitmaterialien (Silber und Bronze habe ich im Web noch nicht gefunden). Und ein gelebter KVP (kontinuierlicher Verbesserungsprozess) unterscheidet den Profi vom „Kelvin-Horst-Youtuber“.

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StreamFidelity

Mitglied

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Hast du einen Link zum eBay Shop?

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Igor Wallossek

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Man lernt je sebst ständig dazu und ich bilde mich ständig weiter. Fachliteratur und Fachgespräche sind da eigentlich Pflicht. Allerdings stoße ich immer wieder an Grenzen, was den Stand und die Verfügbarkeit von soliden und validen Informationen betrifft, weil es in vielen Bereichen gar keine gibt. Das ist in vielerlei Hinsicht nämlich ein neues und noch reichlich unbeschriebenes Thema, weil die Entwicklung so rasant weitergeht, dass außerhalb der Großkonzerne gar keiner mehr so richtig nachkommt.

Mich hat ein großer chinesischer Distributor kontaktiert, der die eigenen Prüfstellen mittlerweile unter meinem Level einsortiert, denen nicht mehr traut und gern kooperieren möchte. Dahinter stehen auch Unis und viele junge Firmen, die Produkte entwickeln und dann von den schieren Masse billiger Plagiate einfach totgewalzt werden. Da sehe ich auch ein großes Potential. Wenn ich sehe, wie viele große Firmen die Datenbank als Grundlage nehmen, um das eigene Portfolio wieder etwas mehr zu pushen, dann freue ich mich manchmal über mich selbst. Mitte Dezember kommt z.B. eine neue Paste von Arctic, die wird die Charts gut aufmischen können, im nächsten Jahr sind andere Player auch mit am Start. Ich teste die ganze Secret Sauce ja schon vorab und ja, es wird sich noch so einiges ändern, denn ich habe viele regelrecht aufgeschreckt :D

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Igor Wallossek

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Den gibt es:

Und die HY-P17 wird als Alphacool Apex2 demnächst auch über Aquatuning erhältlich sein. Aber beim Forenkollegen kannst Du gern kaufen.

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RazielNoir

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791 Kommentare 384 Likes

Vielen Dank für deine Arbeit und die Datenbank.

Aber genaugenommen machst du dir hier die Arbeit, weil andere Ihre Hausaufgaben nicht machen (wollen). 600W Grafikkarte und ne Paste die mit viel guten Willen 2 Jahre hält? Naja, der Kunde soll ja baldmöglichst wieder neu kaufen.... Böswillige Zungen reden von geplanter Obsoleszenz. Aber auch wenn man es nicht explizit "plant", so ist es doch scheinbar so, das manche Hersteller einfach billigend in Kauf nehmen, das Ihre Produkte unnötigerweise vorzeitig den Betrieb einstellen, weil man aus Kosteneinsparungsgründen falsch/zu gering dimensionierte Bauteile oder (wie hier) minderwertiges Material verwendet. Der Glaubwürdigkeit und Reputation dient das nicht, auch wenn manche Hersteller noch lang von Ihrem einmal aufgebauten Image zehren können. Daher frage ich mich, warum wir es akzeptieren, das im Consumerbereich WLP verwendet wird, die kaum die gesetzliche Gewährleistungsfrist übersteht, im Profi-Workstation-Lager aber PTM und hochwertige WLP normal sind. Klar, die Margen sind da größer, die Kundschaft verzeiht da wohl weniger, da ja der Verdienst dran hängt. Als Privatkunde ist man bei Grafikkartenpreisen bis zu 3000€ da die gemolkene Kuh...

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Ich mache morgen eine kleine Dienstreise, vielleicht gibt es danach noch über ein Highlight zu berichten, was echte Haltbarkeitstests betrifft. Denn dann müssen alle die Hosen runterlassen.... :D

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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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