📚 课程目录第3章封装材料热膨胀系数TMA测试

3. 封装材料热膨胀系数TMA测试

为什么塑封料的 CTE 要分 Tg 前后两段测

热机械分析仪（TMA）用石英或氧化铝探头对试样施加极小恒定力，记录试样厚度随温度的变化。塑封料在玻璃化转变温度 Tg 前后链段运动能力差异极大，因此 CTE 必须分段给出：Tg 以下记 α₁，Tg 以上记 α₂。典型环氧塑封料 α₁ 约 8–15 ppm/℃，α₂ 约 30–60 ppm/℃，两者相差 3–5 倍。若只报一个平均 CTE，回流焊升温跨过 Tg 后的真实膨胀量会被严重低估。

测试条件与操作要点

取塑封料固化样条，切成 5 mm × 5 mm × 3 mm 左右的块状试样，上下表面平行度要好，否则探头接触面积不稳会导致曲线漂移。装样时用石英探头轻压，预载力通常设 0.05 N，避免压痕影响位移读数。升温程序建议：先以 5 ℃/min 从室温升到 250 ℃ 做一次“消除热历史”扫描，再降温后以 5 ℃/min 做第二次扫描，取第二次曲线计算 CTE。第一次扫描的曲线常因残余应力和后固化而失真。

CTE 计算取线性段的斜率：α = (1/L₀)·(ΔL/ΔT)。α₁ 取 Tg 以下 50–100 ℃ 区间（如 50–100 ℃），α₂ 取 Tg 以上 30–50 ℃ 区间（如 170–220 ℃）。Tg 由曲线拐点或切线交点确定，与 DSC 结果可能有几度差异，属正常。

失配计算示例

假设某塑封料测得 α₁ = 10 ppm/℃，α₂ = 40 ppm/℃，芯片 Si 的 α = 2.6 ppm/℃，基板 α = 15 ppm/℃。从 25 ℃ 升到 250 ℃ 时，塑封料在 Tg 以下（25–150 ℃）膨胀量约 10 × 125 = 1250 ppm，Tg 以上（150–250 ℃）约 40 × 100 = 4000 ppm，总膨胀约 5250 ppm。芯片总膨胀约 2.6 × 225 = 585 ppm。两者相差约 4665 ppm，即 0.47% 的应变差。这个量级在回流焊后冷却阶段会转化为塑封料对芯片的压应力，是分层和开裂的主要驱动力。

若 α₂ 偏高，可增加球形硅微粉填料比例来降低整体 CTE；但填料过多会提高粘度、影响填充。通常填料含量每增加 10 wt%，α₁ 可降 1–2 ppm/℃，α₂ 降幅更明显。

TMA 曲线在 Tg 附近可能出现表观收缩（探头压入软化表面），此时不要用该段计算 CTE。应取 Tg 以上足够远的线性段，并确认曲线斜率稳定后再取值。

结果判读与记录

项目	典型值	判读要点
α₁ (ppm/℃)	8–15	过高说明填料不足或固化不完全
α₂ (ppm/℃)	30–60	与芯片失配的主要来源
Tg (℃)	130–180	与 DSC 结果交叉验证
Δα = α₂ − α_Si	—	≥30 需评估应力风险