Zanim przejdziemy do opisu konkretnych zagadnień fizycznych, technologicznych oraz projektowych, warto na początek nakreślić praktyczne znaczenie chłodzenia we współczesnej elektronice. Dokonajmy zatem ekspresowego przeglądu negatywnych efektów nadmiernego wzrostu temperatury elementów i urządzeń elektronicznych.
- Wpływ temperatury na niezawodność połączeń lutowanych – liczne badania materiałowe udowodniły wpływ narażeń termomechanicznych (tj. naprężeń mechanicznych „wspieranych” przez zmieniającą się w szerokim zakresie temperaturę) na powstawanie uszkodzeń połączeń lutowanych. O ile bowiem temperatura otoczenia sama w sobie jest kluczowa dla niezawodności urządzeń elektronicznych, to silne, lokalne przegrzewanie układów scalonych czy też dyskretnych podzespołów półprzewodnikowych może dodatkowo zwiększać wahania temperatury, prowadząc do szybszego powstawania pęknięć w objętości lutowia.
- Termiczne przyspieszanie starzenia półprzewodników – za awarie komponentów elektronicznych powstałe w wyniku ich nadmiernego nagrzewania się podczas pracy odpowiada wiele mechanizmów. Sporo zjawisk, zachodzących w samym półprzewodniku bądź w metalowych połączeniach struktur krzemowych (tzw. bonding), jest niejako „katalizowanych” przez temperaturę, a największy udział w starzeniu komponentów ma elektromigracja. Proces ten polega na przemieszczaniu atomów materiału, które są niejako „porywane” przez ruch elektronów, co prowadzi do lokalnych dysproporcji objętościowych – gdy w jednym miejscu przewodnika ubywa, w innym powstaje jego nadmiar, wynikający z akumulacji przemieszczonych atomów. W ten sposób w strukturze lub połączeniach powstają zwężenia i poszerzenia, a w skrajnych przypadkach – przerwy bądź zwarcia. Co gorsza, proces ten znacząco przyspiesza zarówno wraz z lokalnym wzrostem gęstości prądu (czemu sprzyja postępująca miniaturyzacja, zwłaszcza w zakresie komponentów dużej mocy), jak i ze wzrostem temperatury pracy. Podwyższona temperatura przyspiesza także wystąpienie uszkodzenia w wyniku tzw. przebicia starzeniowego dielektryka (TDDB, ang. Time-Dependent Dielectric Breakdown). Jakby tego było mało, przegrzewanie struktur komponentów półprzewodnikowych powoduje również zmiany w ich parametrach elektrycznych – przykładem może być efekt starzeniowy, określany mianem NBTI (ang. Negative Bias Temperature Instability) i polegający na stopniowym podwyższaniu napięcia progowego bramek tranzystorów MOSFET-P (a ściślej rzecz ujmując – przesuwaniu całej charakterystyki w stronę bardziej ujemnych potencjałów). NBTI prowadzi do zmniejszania transkonduktancji, a w efekcie do obniżenia prądu drenu tranzystora, pracującego w tych samych warunkach układowych (tj. przy określonych napięciach VGS oraz VD). Co gorsza, powyższa lista wciąż nie wyczerpuje potencjalnych konsekwencji pracy półprzewodników w podwyższonych temperaturach.
- Krytyczne uszkodzenia termiczne – przegrzanie elementów elektronicznych podczas pracy w temperaturach przekraczających dopuszczalne przez producenta warunki może w prosty sposób doprowadzić do „efektownych” oraz – niestety – fatalnych w skutkach uszkodzeń i to zarówno samych podzespołów, jak i płytek drukowanych, na których się one znajdują. Chyba każdemu elektronikowi zdarzyło się w swojej karierze trafić na układ scalony, tranzystor lub inny element półprzewodnikowy, w którego obudowie widoczny był głęboki otwór, świadczący o „wybuchu” korpusu pod wpływem nadmiernego wzrostu ciśnienia. W przypadku płytek drukowanych awaria może przebiegać na drodze delaminacji, zarówno warstw zewnętrznych (oderwanie padu lub padu ze ścieżką, uszkodzenie soldermaski, etc.), jak i w głębszych strukturach PCB. I choć większość tego typu problemów wynika zwykle z poważnych awarii funkcjonalnych (np. zwarcia lub przeciążenia w obwodach dużej mocy) bądź nieprawidłowości w procesie lutowania rozpływowego, to niedostatecznie chłodzony komponent (a w szczególności ten całkowicie pozbawiony niezbędnego radiatora) może w skrajnych przypadkach doprowadzić do podobnych uszkodzeń, choć zwykle na nieco mniejszą skalę.
- Wpływ temperatury na parametry komponentów – opisane powyżej zmiany starzeniowe, zachodzące w półprzewodnikach pod wpływem nadmiernej temperatury pracy, są niestety nieodwracalne i stopniowo degradują struktury komponentów. W codziennej praktyce znacznie częściej bierzemy jednak pod uwagę efekty przejściowe, obecne tylko w podwyższonych warunkach termicznych. Najprostszy przykład stanowią rezystory, dla których producenci zawsze określają temperaturowy współczynnik rezystancji (TCR), będący miarą dryfu oporności w funkcji temperatury. Temperatura wpływa także na komponenty indukcyjne, zwłaszcza na poziom strat w rdzeniu oraz indukcyjność.
W świecie kondensatorów zróżnicowanie efektów termicznych jest jeszcze większe. Co ciekawe, w przypadku kondensatorów ceramicznych (oczywiście z wyjątkiem tych z dielektrykiem C0G, tj. o niemal zerowej wrażliwości na zmiany temperatury), charakterystyki nie są nawet monotoniczne w pełnym zakresie dopuszczalnych warunków termicznych. Zależność pojemności od temperatury staje się widoczna także wśród kondensatorów elektrolitycznych – znacznie stabilniejsze termicznie od klasycznych kondensatorów z elektrolitem ciekłym są elementy wykonane na bazie elektrolitu stałego. Na marginesie warto też dodać, że efekty starzenia termicznego tych pierwszych należą do najważniejszych czynników wpływających na ich niezawodność, a wynika to wprost z odparowywania, czy nawet wycieków elektrolitu w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia.