服务方案｜从TMA、DMA到温变翘曲： 芯片封装体热机械可靠性评价方案
2026年9月16日 16:14
芯片封装翘曲评价不能只看一个室温下的尺寸数据，更需要从材料热机械性能、温度变化和封装变形之间的关系进行系统分析。
随着AI芯片、先进封装、汽车电子和高可靠电子器件快速发展，芯片封装正朝着更大尺寸、更薄结构、更高集成度方向演进。与此同时，封装体在塑封固化、回流焊和温度循环过程中产生的翘曲问题，也越来越成为影响贴装良率、焊点可靠性和产品长期稳定性的关键因素。
在实际封装结构中，芯片、环氧模塑料（EMC）、封装基板、焊球及PCB等不同材料共同组成一个复杂的多材料体系。由于不同材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度和模量不同，在升温和降温过程中会产生不同程度的热失配，进而形成热应力和翘曲。
因此，芯片封装翘曲评价不能只看一个室温下的尺寸数据，更需要从材料热机械性能、温度变化和封装变形之间的关系进行系统分析。
BGA、PBGA是什么？
BGA是 Ball Grid Array，球栅阵列封装。与传统周边引脚封装不同，BGA通过封装底部规则排列的焊球与PCB实现电连接，可以在有限面积内实现更多I/O连接，因此广泛应用于处理器、存储器、通信芯片及其他高集成度电子器件。
PBGA是 Plastic Ball Grid Array，塑封球栅阵列封装，可以简单理解为采用环氧模塑料进行塑封的BGA结构。
典型PBGA封装内部通常包含硅芯片、EMC、封装基板和焊球；完成板级组装后，焊球再与PCB连接。正是这些材料在热膨胀和力学性能方面的差异，使封装在热循环过程中容易发生翘曲。
▲ 图1 PBGA封装体及板级组装结构示意图
为什么封装翘曲不能只看室温结果？
封装体是否翘曲，首先与不同材料之间的热膨胀失配有关。
对于EMC、封装基板和PCB等材料而言，随着温度升高，其尺寸会发生变化，而不同材料的热膨胀速度并不相同。特别是聚合物材料在玻璃化转变温度Tg前后，热膨胀行为往往会发生明显变化。
基于这一原理，国高材分析测试中心通过热机械分析TMA，对封装材料在不同温度下的尺寸变化和热膨胀系数进行评价，作为理解封装热变形的重要基础。
TMA可重点获得：材料的热膨胀系数CTE、Tg前后膨胀行为变化、不同材料之间的热膨胀匹配程度，以及热处理或工艺前后的尺寸稳定性变化。
原文中的TMA测试结果显示，EMC和封装基板在升温过程中具有明显不同的膨胀行为，尤其是EMC在不同温区表现出不同的热膨胀特征。
▲ 图2 EMC与封装基板膨胀应变随温度变化关系
但仅仅知道材料“膨胀多少”仍然不够。封装翘曲还与材料在不同温度下“有多硬”密切相关。
因此，国高材进一步结合动态力学分析DMA，评价材料储能模量、损耗行为以及Tg附近的力学性能变化。
当EMC接近Tg时，其模量可能快速下降，这意味着材料的承载和约束能力也随之发生明显变化。即使CTE没有发生极端变化，模量的大幅下降同样可能重新分配封装内部应力，进而改变翘曲状态。
▲ 图3 EMC与封装基板储能模量随温度变化关系
最大翘曲不一定发生在室温
传统尺寸检测往往只关注室温下的平整度，但实际封装在回流焊、温度循环和服役过程中，会经历较大的温度范围。
因此，国高材基于“材料热机械性能—温度变化—封装变形”的评价思路，开发了封装体温变翘曲评价方法，通过升温和降温过程观察封装体翘曲变化，寻找真正的风险温区。
原文测试数据可以很好地说明这一问题。PBGA封装在室温22 ℃时，边缘位置翘曲约为35 μm；随着温度升高，翘曲持续增加，在约155 ℃附近达到约175 μm，随后继续升温时翘曲反而下降。
而如果进一步观察封装角部，155 ℃附近最大翘曲可达到约275 μm，明显高于边缘位置。
这意味着，封装翘曲评价至少需要回答三个问题：最大翘曲发生在哪里？最大翘曲发生在什么温度？升温和降温之后能否恢复?
▲ 图4 PBGA封装翘曲随温度变化趋势
不仅看翘曲，还要关注工艺留下的“残余影响”
封装翘曲并不完全来自即时的热膨胀。
EMC在塑封固化过程中会发生化学收缩，后固化及回流焊过程中还可能发生应力释放，因此即使产品重新回到室温，封装内部仍可能保留一定的残余应变。
这也是为什么两个CTE相近、Tg相近的材料体系，在实际封装后仍可能表现出不同的翘曲水平。
基于这一机理，国高材的评价方案可以进一步通过不同EMC体系、不同固化条件、不同后固化条件以及回流前后样品的对比测试，分析工艺变化对热机械性能和最终翘曲的影响。
对于材料开发和封装工艺优化而言，这种对比往往比单独测试一个翘曲数值更有意义。
国高材可以提供哪些评价？
▼ 表1 芯片封装体热机械可靠性评价方案
该方案可应用于BGA、PBGA及其他芯片封装结构，尤其适合EMC材料开发、封装材料国产替代、回流焊工艺优化、封装翘曲异常分析以及新材料导入验证等场景。
从“测一个翘曲值”，到理解封装为什么翘
芯片封装翘曲并不是一个孤立的尺寸问题。
材料的热膨胀、Tg、模量变化、固化收缩以及工艺历史，都会共同影响最终的封装变形。
因此，国高材分析测试中心通过TMA + DMA + 温变翘曲评价，从材料性能出发，建立：
材料热机械性能 → 温度响应 → 封装变形
之间的关联。
帮助客户从单一翘曲检测，进一步走向材料筛选、工艺优化和封装可靠性评价，为芯片封装研发和产品验证提供更完整的实验数据支撑。
如需了解芯片封装体热机械可靠性评价方案详情，或咨询具体测试条件，欢迎联系国高材分析测试中心（电话：020-66221668）。
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