察热于微，驭形于封——先进封装材料全梯度热学表征- 大数跨境

深圳先进电子材料国际创新研究院

2026-10-09

先进封装是半导体产业向高密度、高集成、高可靠性升级的核心支撑，封装材料的热学性能直接决定芯片互连的界面热阻、器件服役寿命与极端温度环境下的结构稳定性。从芯片级微互连在毫秒尺度上的热量集中，到封装组件在数百摄氏度温程内的宏观膨胀与翘曲，热的产生、传递与耗散贯穿始终。

分析检测平台热学测试能力概览

测试能力纵向覆盖“本征性能—尺寸与黏弹响应—界面与导热”三级热学层级，横向打通-160℃至1500℃的全温区与0.005W/(m·K) 至1800W/(m·K)六个数量级的导热区间：TGA判定热稳定性、分解温度与填料含量，界定耐受无铅回流焊的安全边界；DSC解析熔融结晶、固化热焓与固化度、玻璃化转变温度Tg；TMA测量以Tg为分界的线性热膨胀系数（CTE），直指翘曲与分层的材料根源；DMA捕捉黏弹性响应与模量衰减；稳态热流法（ASTM D5470）、激光闪射法（LFA）与瞬态平面热源法三法互补，完成从界面热阻到体导热系数的全形态表征。

多套热学设备协同，实现“从分子到封装体”的全链条热学解析，适配先进封装各类材料与场景的表征需求。

部分案例合集

PART 01

案例一：稳态热流法，锁定界面热阻与接触热阻

界面热阻是先进封装散热路径上最难优化的一环——封装翘曲与表面形貌差异会造成热界面材料（TIM）粘合层厚度与接触压力不均，热阻随之抬升。平台配备两台界面热阻及热传导系数量测仪（Longwin LW-9389），依据 ASTM D5470对样品施加恒定热流与设定压力，经外插法求得上下表面温度，计算热阻、热阻抗与热传导系数；支持膏体与固体样品，压力10psi至100psi，热阻抗测量下限优于 0.01℃·cm²/W，精度 ±5%。

案例：以同一种材料制备三种厚度试样分别量测热阻，由热阻—厚度拟合直线的截距分离出接触热阻Imp=0.4732℃·cm²/W，由斜率求得材料本征导热系数K=14.61W/(m·K)。这一“变厚度法”将总热阻拆解为界面接触热阻与体热阻，前者对应装配压力与润湿性，后者才是材料自身的导热能力。

界面热阻及热传导系数量测仪（Longwin LW-9389）实物图

同材料三种厚度试样的热阻—厚度线性拟合曲线（接触热阻：Imp=0.4732 ℃·cm2 /W

热传导系数：K=10× 1/0.6842=14.61 W / m·K (10 为单位转换因子)）图中斜率为0.6842

PART 02

案例二：激光闪射法，快速测定热扩散系数与导热系数

陶瓷基板、金属块体与高导热复合材料的导热系数可达数十至上千 W/(m·K)，稳态法难以满足快速筛选需求。平台配备激光法导热仪（耐驰 LFA 467），依据 ASTM E1461 等规范对试样一面施加瞬态激光脉冲，由红外检测器记录背面温升过程计算热扩散系数。设备温区 -100 ℃ 至 500 ℃，导热系数范围 0.1 W/(m·K) 至 2000 W/(m·K)，热扩散系数重复性优于 ±2%。

案例：对不透光样品施加瞬态脉冲，拟合背面温升曲线得到热扩散系数 α，结合密度 ρ 与比热容 Cp 得到导热系数 λ = α·ρ·Cp。该方法单次测量时间短、温度点可连续扫描，适合高导热配方的高通量筛选。

瞬态脉冲照射下的背面温升曲线与热扩散系数拟合结果

PART 03

案例三：瞬态平面热源法，从板材到超薄隔膜的全形态导热测量

先进封装材料形态多样——块状、片材、膏体、粉末、薄膜，各向异性更是常态。平台配备热常数分析仪（Hotdisk TPS2500 S），依据 ISO 22007-2 等规范在探头上施加恒定电流，探头升温引起电阻变化；样品导热性能不同则散热速率不同，由电压变化曲线反演其导热性能。设备配置多规格探头并按导热区间选型，另配薄膜专用探头，导热范围覆盖 0.005 W/(m·K) 至 1800 W/(m·K)。

案例：环氧树脂板材采用平板模块测试，隔膜类超薄薄膜采用薄膜模块与专用探头测试，一次测试即可同时评估面内与面外两个方向的导热能力。

热常数分析仪（Hotdisk TPS2500 S）及多规格探头实物图

环氧树脂板材（平板模块）与隔膜（薄膜模块）的样品装夹实物图

PART 04

案例四：动态热机械分析，解析玻璃化转变与模量衰减

封装材料的翘曲，本质是模量与CTE在温度场中的博弈：玻璃化转变温度Tg以下模量高而刚硬，越过后模量断崖式下降，尺寸稳定性随之劣化。平台共配备七台动态热机械分析仪，包括TA DMA 850六台（温区-150℃至600 ℃,力范围0.0001N至18N，模量精确度 ±1%）与大力值DMA 3200一台（施力5N至 450N，配制冷附件可覆盖-100℃至300 ℃），夹具涵盖拉伸、压缩、三点弯、悬臂梁与剪切等模式。

案例一：对封装材料进行振荡温度斜坡扫描，同步采集储能模量E′、损耗模量E″与损耗因子 tanδ。低温玻璃态下储能模量约3504.50MPa，表现出较高的刚度；越过转变区间后模量大幅下降。取 tanδ 峰值对应温度为Tg，本次测试结果为 116.88 ℃。

案例二：在可控温度（-100℃至400 ℃）下对薄膜试样施加拉伸载荷，由应力—应变曲线获得断裂拉伸强度、断裂伸长率与杨氏模量；配合时温叠加（TTS）分析，还可外推长期服役温度下的蠕变与应力松弛行为。

动态热机械分析仪（TA DMA 850）实物图及夹具

储能模量 E′、损耗模量 E″ 与损耗因子 tanδ 随温度变化曲线

薄膜试样的应力—应变曲线

PART 05

案例五：差示扫描量热，标定固化窗口与光固化动力学

薄晶圆与硅通孔（TSV）属热敏结构，长时间高温固化会抬升硅片破损率，因此对塑封料与底部填充胶提出“低温固化”要求。平台配备三台差示扫描量热仪：TA DSC 2500两台（其中一台配置两套光固化附件，波长250nm至 650nm、光强连续可调；及365nm单一光源）与耐驰 DSC 204F1一台，温区最低可达 -160℃，最高550℃，升温速率0.01℃/min 至200℃/min。

案例：环氧塑封料与底部填充胶的固化评价。对未固化树脂以常规速率升温扫描，得到固化放热峰的起始温度、峰值温度与总反应焓 ΔH。此外，DSC给出的比热容数据，正是激光闪射法换算导热系数的必要输入。

延伸应用：紫外光固化胶的光固化 DSC 表征

案例：CPO 将光引擎与交换芯片共封装，光纤阵列单元（FAU）与光子集成电路（PIC）之间依靠紫外光固化光学胶锁定亚微米级耦合，胶的固化程度直接决定光路是否漂移。测试时将胶样置于样品池中恒温，以365 nm光源照射，实时记录光引发聚合的放热速率：一次扫描即可给出诱导期、峰值时间、总反应焓与转化率。据此可定量标定光照时间、光强与后固化温度，可用于光引发剂筛选。模组中的热膨胀失配与散热问题，则由TMA、Hotdisk 与稳态热流法接力表征。

差示扫描量热仪（TA DSC 2500）及光固化附件实物图

环氧塑封料固化放热 DSC 曲线

高导热复合材料的比热容（Cp）测定

MTDSC调制DSC：分离玻璃化转变温度（Tg）与放热峰

光固化 DSC 实测曲线：紫外光照下的放热速率—时间曲线

PART 06

案例六：热重分析，界定热稳定性与填料含量

封装体在装联与服役中要经历260℃无铅回流峰值温度，并在高温高湿下长期工作，材料是否分解、是否释放挥发性组分，直接关系分层、空洞与“爆米花效应”。平台配备四台热重分析仪：TA SDT 650两台（环境温度至 1500℃，可同步输出热失重、热流与DTG信号）与METTLER TGA2两台（室温至1100 ℃，分辨率1.0μg），全部支持氮气与空气气氛。

案例：多段程序升温下由失重曲线确定起始分解温度与各阶段失重比例，由DTG曲线定位分解峰，由高温段残余质量推算无机填料含量。对环氧塑封料而言，填料占比直接决定 CTE、导热与流动性的平衡——高功率器件用塑封料填料占比常达80%至90%，残重数据是配方设计与来料一致性核查的快速判据。

热重分析仪（METTLER TGA2）实物图

封装材料在空气气氛下的 TGA曲线（标注分解温度与残重）

PART 07

案例七：热机械分析，量化分级热膨胀系数

CTE失配是封装翘曲与界面分层的直接诱因：硅约2.6ppm/℃、铜约17ppm/℃、树脂基板约24ppm/℃，而纯环氧可达76ppm/℃。平台配备6台热机械分析仪，在-80℃至1000℃温区内以恒定微小载荷记录试样尺寸随温度的变化，位移分辨率可达0.125nm。

案例：曲线在玻璃化转变温度处出现明显斜率转折，据此分别拟合转变前后的线性膨胀系数 α1（玻璃态）与α2（高弹态），并同步确定玻璃化转变温度与软化点。

热机械分析仪（耐驰 TMA 402 F3 Hyperion / TA TMA 450）实物图

试样尺寸变化—温度曲线

从环氧塑封料的固化窗口，到界面热阻与热膨胀失配，再到共封装光学中那层决定光路走向的紫外胶——热学表征的对象在变、尺度在变小，但问题的本质始终一致：材料在温度与时间的共同作用下究竟发生了什么。

来源：分析检测平台
编辑：党群与文宣办

审核：胡友根

关于我们

中国科学院深圳先进技术研究院先进电子材料研究所、深圳先进电子材料国际创新研究院以国家重大战略和产业发展需求为导向，面向龙头企业需求牵引开展 “整建制” 科研，现已建成先进IC封装材料的“理化-检测-中试-验证”全闭环平台，贯穿材料研发、应用、验证的关键环节，致力于打通高端芯片在应用端、设计端与制造端的壁垒，为推动集成电路先进封装产业高质量发展提供坚实支撑。