O Calor na Placa: Por Que o Capacitor Seca e o Defeito Só Aparece Quente — Eletrônica do Zero #39

De todos os inimigos da placa, o calor na eletrônica é o mais previsível — e, justamente por isso, o mais subestimado. Este capítulo mostra, com datasheet e conta na mão, por que a vida de um capacitor cai pela metade a cada 10 °C, por que o regulador “liga e desliga sozinho”, o que a temperatura faz com a solda ao longo dos anos e por que tanta placa só apresenta defeito depois de meia hora ligada.

No capítulo anterior vimos a umidade, que precisa de sal, tensão e semanas para fazer estrago. O calor dispensa tudo isso: basta a placa funcionar. A pergunta nunca é se ela esquenta, mas para onde esse calor vai.

Calor na eletrônica: toda placa é um aquecedor

Lembre da parte sobre potência: watt é energia por segundo. Um regulador linear que derruba 12 V para 5 V com 300 mA de carga joga fora (12 − 5) × 0,3 = 2,1 W. Não tem mágica: esses 2,1 W saem do componente na forma de calor, todo segundo, enquanto o aparelho estiver ligado.

Esse calor nasce num lugar minúsculo — a junção, a pastilha de silício dentro do encapsulamento — e precisa atravessar uma fila de obstáculos até chegar ao ar: o encapsulamento, a solda, o cobre da placa, o dissipador, o ar dentro da caixa, a própria caixa. Cada obstáculo tem uma resistência térmica, medida em °C por watt. A analogia com a Lei de Ohm é quase perfeita: a potência faz o papel da corrente, a resistência térmica faz o papel do resistor, e a diferença de temperatura faz o papel da tensão.

Em fórmula: temperatura da junção = temperatura do ambiente + potência × resistência térmica. É a conta que todo datasheet de componente de potência espera que você faça.

O número do datasheet que engana: RθJA

Abra o datasheet do LM317 da Texas Instruments (revisão SLVS044Z, abril de 2025) e procure a tabela Thermal Information. Para a versão nova do chip em encapsulamento SOT-223, ela informa RθJA = 59,6 °C/W — resistência térmica da junção até o ar. E o mesmo documento diz que a junção não deve passar de 125 °C.

Agora a conta que o técnico raramente faz. Fizemos aqui, com os números do próprio datasheet:

A terceira linha nunca acontece de fato, porque o regulador tem proteção térmica interna — o próprio datasheet avisa que o LM317 novo “tem desligamento térmico para se proteger do superaquecimento”. O que acontece é pior para o diagnóstico: a saída cai, o chip esfria, a saída volta, o chip esquenta de novo. Para o cliente, “o aparelho fica reiniciando”. Não há nada queimado — há um componente pedindo dissipação que o projeto (ou o conserto anterior) não deu.

Mas tem uma pegadinha, e ela vem da própria TI. A nota de aplicação SPRA953D, “Semiconductor and IC Package Thermal Metrics” (revisada em março de 2024), chama de “uso indevido” justamente essa conta com RθJA. O motivo: o número é medido com o chip soldado numa placa de teste padronizada pelo JEDEC, e “quase 70% a 95% da potência gerada pelo chip é dissipada pela placa de teste, não pelas superfícies do encapsulamento”. Na tabela de fatores que mudam o RθJA, o primeiro da lista, com influência “forte (100%)”, é o projeto da placa de circuito.

Ou seja: a placa é o dissipador. Os chips SMD modernos jogam a maior parte do calor para o cobre por baixo deles — por isso existe o pad térmico central nos QFN que vimos no capítulo dos encapsulamentos, e por isso um QFN ressoldado sem estanho no pad central esquenta muito mais que o original, mesmo funcionando.

Medir a junção por fora: o parâmetro ψJT

Se a conta pelo datasheet é aproximada, o caminho honesto é medir. Só que ninguém enfia um termômetro dentro do silício. A mesma nota da TI apresenta a saída: o parâmetro ψJT (psi junção-topo), definido pela norma JESD51-2, que relaciona a temperatura do topo do encapsulamento com a da junção. A fórmula é simples: Tjunção ≈ Ttopo + ψJT × potência.

O número costuma ser pequeno. A TI diz que, em encapsulamentos plásticos, o ψJT fica tipicamente entre 0,5 e 2 °C/W. No LM317 SOT-223 novo, o datasheet informa 1,8 °C/W: dissipando 1,4 W, o topo do chip fica só 2,5 °C abaixo da junção. Ou seja, o que o termopar do multímetro ou a câmera térmica leem em cima do chip é praticamente a temperatura de dentro.

Mas não generalize: no LM317 antigo em TO-220 (sufixo KCT), o mesmo datasheet dá ψJT de 13,0 °C/W. A 2 W, o topo mente por 26 °C. Antes de concluir “está frio, não é ele”, confira o ψJT do encapsulamento.

A regra dos 10 °C: o capacitor eletrolítico tem prazo de validade

Nenhum componente comum sente tanto o calor quanto o capacitor eletrolítico. Ele tem um líquido dentro — o eletrólito — e esse líquido vai embora devagar, por difusão através da borracha de vedação. A Nippon Chemi-Con, uma das maiores fabricantes do mundo, descreve o fim de vida exatamente assim: perda de eletrólito pela vedação, que leva à queda da capacitância e ao aumento das perdas (o ESR sobe).

E a velocidade dessa evaporação depende da temperatura. A fabricante publica a fórmula de estimativa:

Vida real = Vida especificada × 2^{(Tmáx − Treal)/10} × 2^(−ΔT/5)

O primeiro termo é a famosa regra: a vida cai aproximadamente pela metade a cada 10 °C a mais de temperatura ambiente. O segundo é menos conhecido e igualmente importante: ΔT é o aquecimento interno causado pela corrente de ondulação (ripple) que passa pelo capacitor. A folha de dados da série KY diz com todas as letras: a vida cai pela metade a cada 5 °C de aquecimento interno. O capacitor de saída de fonte chaveada sofre as duas coisas ao mesmo tempo.

A mesma folha da série KY dá a vida especificada: 5.000 horas a 105 °C para os modelos de 5 e 6,3 mm de diâmetro de 16 a 100 V. Pusemos esse número na fórmula e, ao lado, um capacitor genérico de 85 °C e 2.000 horas — especificação comum em peça barata. Contas nossas, considerando o aparelho ligado 24 horas por dia (roteador, TV box, fonte de câmera) e sem aquecimento por ripple:

* A Chemi-Con limita a vida calculada a 15 anos, mesmo quando a fórmula dá mais.

Duas conclusões práticas saem dessa tabela. A primeira: no mesmo lugar da placa, o capacitor de 105 °C dura dez vezes mais que o genérico de 85 °C. Na troca, a especificação de temperatura e de vida importa tanto quanto a capacitância e a tensão — trocar por “um de mesmo valor” que seja de 85 °C é agendar o retorno do cliente para daqui a um ano.

A segunda: a posição na placa decide o destino. Capacitor encostado no dissipador, no transformador ou no processador vive a 65-75 °C, enquanto o do canto frio da mesma placa vive a 45 °C. É por isso que, quando uma placa chega com capacitores estufados, eles quase sempre estão agrupados perto da fonte de calor — como na foto abaixo.

Repare que capacitor com ESR alto nem sempre estufa. Por isso o teste de verdade é com medidor de ESR, como mostramos no guia de como testar capacitor — olhar só o topo deixa passar os que estão secando sem deformar.

A solda também cansa: o ciclo térmico

O calor constante envelhece o capacitor. O calor que vai e volta envelhece outra coisa: a junta de solda. Cada vez que o aparelho liga, esquenta e depois esfria, os materiais da placa dilatam e contraem — e não dilatam igual.

O silício do chip quase não cresce com a temperatura: cerca de 2,6 milionésimos por °C (2,6 ppm/°C), valor medido por Okada e Tokumaru no Journal of Applied Physics (1984). Já a placa de FR-4 cresce bem mais no plano: a folha de dados do laminado Isola 370HR, um FR-4 de uso amplo, informa 13 a 14 ppm/°C nos eixos X e Y. A diferença — cerca de 11 ppm/°C — fica toda por conta de quem está no meio: a solda.

Fizemos a conta para um chip CSP de 5 × 5 mm, desses que vimos no capítulo dos encapsulamentos. A esfera de solda do canto fica a 3,5 mm do centro. Com 40 °C de diferença entre desligado e ligado, o chip e a placa “escorregam” um em relação ao outro:

11 × 10⁻⁶ × 40 °C × 3,5 mm ≈ 1,5 micrômetro por ciclo

Parece nada — cerca de um cinquentésimo de um fio de cabelo. Mas se repete a cada vez que o aparelho liga e desliga, e várias vezes ao dia num notebook que alterna entre ocioso e jogo. Cada ciclo deforma a solda de um lado para o outro, como dobrar um clipe de papel: nenhuma dobra quebra, mas a soma delas quebra. É a fadiga térmica, e é por isso que a trinca aparece primeiro nas esferas dos cantos, as mais distantes do centro.

O eixo vertical tem a sua própria história. A mesma folha do Isola 370HR informa dilatação em Z de 45 ppm/°C abaixo da transição vítrea (180 °C nesse material) e 230 ppm/°C acima dela, com expansão total de 2,8% entre 50 e 260 °C. Numa placa de 1,6 mm, isso dá até 45 micrômetros de crescimento em espessura se a região chegar perto de 260 °C num retrabalho com ar quente — e quem segura esse esforço são os furos metalizados que ligam as camadas, que vimos no capítulo da placa por dentro. Retrabalho repetido no mesmo ponto cobra esse preço.

Por que o defeito só aparece depois de meia hora

Agora a pergunta mais comum da bancada: por que o aparelho funciona perfeitamente no teste e falha na casa do cliente depois de 30 minutos? A resposta é a constante de tempo térmica.

Tudo que tem massa precisa de energia para esquentar. Um dissipador de alumínio de 100 g guarda cerca de 90 J por °C (o calor específico do alumínio é perto de 0,9 J/g·°C); com 2 °C/W de resistência térmica até o ar, a constante de tempo dá 90 × 2 = 180 segundos, ou 3 minutos. Uma placa inteira dentro de um gabinete fechado, com carcaça, chapas e ar parado, leva muito mais — dezenas de minutos. E toda subida desse tipo segue a mesma curva: chega a 63% do aquecimento final em uma constante de tempo e a 95% em três.

Junte isso com a solda trincada da seção anterior e o mistério se desfaz. A trinca encosta quando a placa está fria; quando ela esquenta, os materiais dilatam diferente e a trinca abre. Na bancada aberta, com ventilador e sem carcaça, a placa nunca chega à temperatura em que abre — e o defeito “não aparece”. Na casa do cliente, fechada e com o aparelho trabalhando, ele aparece sempre no mesmo tempo.

Como provocar o defeito térmico na bancada

Defeito que depende de temperatura se caça controlando a temperatura, não esperando. Quatro técnicas, da mais simples à mais cara:

1. Reproduza o ambiente do cliente. Monte o aparelho fechado, com a carga real, e cronometre. Se o defeito aparece num tempo repetível, ele é térmico quase com certeza.
2. Aqueça de propósito, um ponto por vez. Com a estação de ar quente em temperatura baixa e fluxo mínimo, ou um secador de cabelo, aqueça uma região da placa ligada. Quando o defeito aparecer, você achou a vizinhança. Cuidado com capacitores e conectores plásticos.
3. Esfrie de propósito. Com o defeito presente, um spray congelante aplicado componente por componente mostra quem é o culpado: o defeito some quando você acerta o alvo. Atenção à umidade do capítulo anterior — resfriar a placa abaixo do ponto de orvalho condensa água sobre ela.
4. Olhe o calor. Câmera térmica ou, no mínimo, o termopar do multímetro no topo dos suspeitos (lembrando do ψJT). Componente bem mais quente que os vizinhos da mesma função é suspeito — e componente frio que deveria estar quente também é: pode estar sem trabalhar.

Em notebook e computador, os sensores já estão lá dentro: o HWiNFO mostra a temperatura do processador e se ele está reduzindo a velocidade por temperatura (thermal throttling) antes mesmo de abrir a máquina. Lentidão que piora com o tempo de uso, ventoinha no máximo e temperatura encostando no limite pedem limpeza e pasta térmica antes de qualquer troca de componente.

Ressalva honesta: o termômetro infravermelho erra feio em metal brilhante, que reflete em vez de emitir. Em dissipador polido ou blindagem, cole um pedaço de fita isolante preta no ponto e meça sobre ela.

Perguntas frequentes

Qual temperatura é “normal” para um componente? Depende do componente, e a resposta está no datasheet: a temperatura máxima de junção (125 °C no LM317 novo, por exemplo) e, no capacitor, a classe de temperatura (85 °C ou 105 °C). Na dúvida, meça em vez de usar o dedo: a mesma temperatura que é tranquila para um regulador pode ser péssima para o capacitor eletrolítico ao lado dele, como mostra a tabela da vida útil.

Trocar capacitor por um de 105 °C vale a pena mesmo onde não esquenta? Vale, porque a diferença de preço é pequena e a tabela mostra o ganho: na mesma temperatura, o 105 °C de 5.000 h dura dez vezes o 85 °C de 2.000 h. Só confira se o tamanho cabe e se o ESR é compatível com o original — em fonte chaveada isso importa.

Por que reaquecer a solda resolve e depois o defeito volta? Porque reaquecer refaz a junta, mas não muda a causa: a diferença de dilatação continua lá, e a esfera volta a trincar com o tempo. Em BGA, o caminho definitivo muitas vezes é o reballing — e mesmo ele não resolve se o problema for o próprio chip.

Ventilador mais forte resolve o superaquecimento? Às vezes, mas olhe a fila inteira de resistências térmicas antes. Pasta térmica seca, poeira entupindo o radiador ou dissipador mal apertado são o gargalo na maioria dos casos — e nenhum ventilador vence um gargalo que está antes dele.

Calor queima componente na hora? Raramente. O mais comum é o calor envelhecer: capacitor secando, solda cansando, proteção desarmando. Por isso o defeito térmico costuma ser intermitente e progressivo, não súbito.

Conclusão

Três ideias para levar deste capítulo. A placa é o dissipador: a própria TI mede que 70% a 95% do calor de um chip sai pelo cobre, não pelo encapsulamento — e o número RθJA do datasheet só vale para a placa de teste. O capacitor eletrolítico tem prazo de validade, que cai pela metade a cada 10 °C: no mesmo lugar da placa, o de 105 °C dura dez vezes o genérico de 85 °C. E a que muda a conduta na bancada: defeito que aparece com o tempo é térmico até prova em contrário — cace com calor e frio controlados, não esperando.

No próximo capítulo saímos da placa e olhamos para o que entra nela pela tomada: a rede elétrica. Surtos, raios, quedas de energia e o neutro que some — o que realmente chega pelo fio e por que tanta placa “queimou sozinha” logo depois de uma tempestade.