电子元器件高低温形变精准检测方案

前言：

在实际应用中，电子元器件会面临较大的温差变化环境。通过温度循环试验，使元器件在短时间内反复承受高低温变化的影响，进而暴露出因材料热胀冷缩性能不匹配、内引线与管芯涂料温度系数不匹配、芯片裂纹、接触不良或制造工艺问题导致的失效现象，并将其剔除。

电子元器件尺寸小，无法使用接触式测量手段，需采用光学非接触式测量方案进行高低温环境条件下的变形行为。为确保产品在高温工况下的可靠性和使用寿命，某通讯设备龙头厂商引入新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统，以实现非接触、全场、高精度变形监测与分析，助力工程师优化材料选型、散热设计，提升产品可靠性。

电子元器件在高低温形变及其后果

电子元器件在高温环境下，材料热膨胀系数不一致会导致内部应力集中，进而引发以下问题：

热膨胀不匹配：不同材料（如芯片、封装、基板）热膨胀系数差异，导致界面产生剪切应力；

微裂纹与分层：长期高温作用下，封装层与芯片之间可能出现微裂纹，影响电性能；

机械结构失效：封装外壳、引线键合等结构在热循环中反复变形，可能导致疲劳失效；

可靠性下降：高温加速材料老化，缩短产品寿命，影响整机系统稳定性。

这些问题若未在设计阶段被发现，将导致产品在实际使用中发生故障，造成巨大经济损失与安全隐患。

测试目标

评估电子元器件在高温环境下的三维应变分布与变形趋势；

• 定量分析热循环过程中封装结构的应变演化；

• 找出潜在的应力集中区域，识别早期失效机制；

• 优化材料选型与结构设计，提升产品高温可靠性；

• 为元器件可靠性评估标准制定提供数据支持。

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元器件测试环境

光学冷热台（温度范围：-190~600℃，可定制），与光学显微DIC系统搭配集成，进行变温原位测试。

新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变系统（微小尺寸材料散斑制备工具、全自动标定转台，实现一键自动化标定）

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显微DIC系统测试步骤

样品标记：在电子元器件表面制备散斑图案，放置于冷热台，以便于进行高低温环境模拟。

显微DIC系统调节。根据被测试样尺寸大小，体式显微镜选择1倍放大倍率，并对标定板也选择1倍放大，如图所示。

显微DIC系统标定。新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统采用全自动标定转台，实现一键自动化标定。通过标定相机的内外参数，精确获取被测试样三维数据。

升降温及数据采集。升降温速度10℃/min，加热过程由25℃升至300℃，恒温一段时间后降温至25℃，循环三次，XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统按照6秒1张的速度采集图像。

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显微DIC系统测试结果

在新拓三维DIC软件中框选散斑域，添加种子点，计算试样随温度变化的变形数据，如下分别为25℃、50℃、100℃、200℃、300℃图例。

三维应变分布图：清晰显示元器件试样表面在高温环境下存在显著的应变集中；

热循环应变演化曲线：揭示在高温阶段应变迅速积累，低温阶段部分恢复；

失效机制分析：识别出高温环境下的应变集中区域以及最大应变数据，以防止材料热胀冷缩性能不匹配、内引线与管芯涂料温度系数不匹配、芯片裂纹等问题导致的失效现象。

选取电子元器件试样关键变形位置点，可绘制随时间历程变化的应变曲线：

分析两点之间的距离变化，并可获取两点之间的变形间距变化：

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对厂商的价值

1、提升产品可靠性

通过早期识别高温变形问题，避免后期批量失效；

2、缩短研发周期

快速获取变形数据，减少试错成本；

3、增强竞争优势

满足行业对高可靠性元器件日益增长的需求；

4、提高测试效率

非接触、自动化测试流程，节省人力与时间。

拓展应用

新拓三维XTDIC-MICRO三维显微应变测量系统，不仅适用于电子元器件冷热变形测试，还可广泛应用于以下领域：

• 芯片热膨胀/翘曲分析——分析芯片高低温翘曲分布，芯片热膨胀系数。

• 单晶硅膨胀系数（CTE）测量——不同温度环境下，评估单晶硅CTE系数。

• PCB板热膨胀测试——分析PCB板在不同温度下微小位移和应变

• 半导体封装分析——评估封装材料在高温环境下的形变。

• 5G设备与服务器主板——研究高速电路的热稳定性，优化信号完整性。

• 新能源汽车电池管理——测量电池热膨胀情况，优化冷却方案。