溫度循環試驗是讓元件在低溫與高溫之間反覆往返，以評估其對熱膨脹差異所造成之機械應力耐受性的試驗。一般會在-55℃到+125℃等條件下施加數百～數千個循環，車用領域則要求更寬的溫度範圍與更多的循環數。
這項試驗的目標不是電性劣化，而是結構破壞。矽裸晶、封膠、導線架、焊料與基板的熱膨脹係數各不相同，因此每次溫度變化都會對接合部施加應力。反覆之下，焊點的疲勞裂紋、打線剝離（跟部裂紋，heel crack）、黏晶材料剝離、封裝內部的層間剝離（脫層）等不良便會逐步惡化。
越先進的封裝，試驗就越嚴苛。覆晶的應力集中在凸塊與底部填充膠，使用TSV的3D堆疊中，應力則在上下裸晶間複雜分布。在矽中介層或大型封裝中，反覆翹曲決定了接合部的壽命。封裝設計與材料選擇是否妥當，最終都要由這項試驗驗證。
評估結合電性導通檢查與非破壞式內部觀察進行。試驗過程中監控電阻值上升或斷線，並以超音波顯微鏡（SAT）將剝離或裂紋的發生以影像捕捉。若進一步進行破壞性分析，則以截面研磨找出裂紋的起點。
類似的試驗有熱衝擊試驗（thermal shock），它使用液槽等方式讓溫度變化更為急遽，屬於嚴苛條件。相對於溫度循環模擬接近實際使用的緩和變化，熱衝擊則定位為在短時間內揭露弱點的篩選性質試驗。設備由ESPEC等廠商供應。