随着电力电子技术的高速发展,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)功率器件由于其高容量、高电压等级以及较低的功率损耗等优点逐渐成为电力电子变换器的核心部件。功率器件长期运行在严苛的工况下,不可避免将产生严重的老化以及可靠性问题。相关研究表示,功率器件的结温过高致失效的比例高达50%,其主要的失效形式之一为封装级失效,而焊料层被认为IGBT功率模块的封装结构中最薄弱的部位之一,因此研究功率器件的焊料层疲劳老化及失效的过程和机理,掌握功率器件焊料层失效后内部参数对芯片的温度分布的影响规律对可靠性的提高、失效率的降低等方面具有十分重大的意义。故本课题主要研究探讨IGBT模块的焊料层的可靠性问题,并在理论基础上对其有限元建模仿真及试验研究。具体来讲,主要的研究内容归纳如下:首先,本文以IGBT模块为研究对象,建立三维几何模型,在ANSYS仿真软件中对其做热-结构多物理场耦合仿真分析,掌握IGBT模块在工作状态下焊料层的温度分布规律。通过仿真分析,探究焊料层裂纹损伤的大小、位置、不规则分布与热阻的关系,掌握焊料层发生故障后对IGBT模块热特性的影响机理。其次,利用有限元软件对焊料层含空洞损伤的IGBT模块进行三维建模,并研究分析热仿真结果,掌握焊料层含空洞损伤的IGBT模块温度的分布情况,分析其热流路径变化规律,研究分析焊料层空洞损伤的大小、位置、不规则分布对芯片结温的影响。再次,根据IGBT模块的材料物理参数和温度特性,提出一种Cauer热网络模型的改进形式,该模型既考虑了焊料层的空洞损伤,又考虑了温度与材料特性的关系,可有效提高IGBT模块焊料层发生损伤时对结温估测的精度。最后,构建实验平台,在实际工况下,测试IGBT模块的温度,并将实验的结果与有限元仿真、改进Cauer模型的计算结果进行比较,从而验证本文提出的考虑空洞损伤的改进Cauer模型的有效性和可行性。