选择低温烧结纳米银焊膏和铜/三氧化二铝陶瓷(DBC)基板建立了高温大功率芯片连接(die-attached)封装单元,对连接材料失效,连接材料与基板间的界面失效和DBC基板失效机理进行了试验和理论研究,对高温功率电子封装的可靠性具有理论意义和应用价值。本论文工作包括以下主要内容。针对连接材料失效,通过温度循环试验、剪切强度试验及材料微观形貌观察,对纳米银焊膏的连接试样进行了热疲劳特性研究。结果表明:烧结纳米银焊膏是一种含孔隙率超过10%的连接材料。随着温度循环次数的增加,纳米银焊膏的孔隙率增加,连接试样粘接强度降低。基于试验观察到的纳米银焊膏孔隙率演化过程,定义损伤参量与孔隙面积相关,并考虑了高温电子封装单元中界面剪切强度的要求对连接试样中的纳米银焊膏热疲劳失效过程建立了损伤力学模型。为了提高热疲劳试验效率,本文采用了机械疲劳试验代替热疲劳试验的方法并引用了Chaboche提出的疲劳损伤模型对纳米银焊膏连接LED芯片的疲劳寿命进行了较好预测。针对连接材料与基板间的界面失效,结合纳米银焊膏的烧结工艺,通过能谱分析和X射线衍射仪(XRD)的试验方法考察了银焊膏的烧结工艺对连接界面材料组成成份的影响,并利用分子动力学(MD)模拟的方法,研究了三种不同镀层类型铜基板(镀金,镀银和无镀层)与纳米银焊膏在相同烧结工艺条件下的粘接强度。最后采用纳米银焊膏所连接的试样进行剪切强度试验,对分子动力学模拟的结果进行验证。纳米银焊膏与不同镀层基板间的剪切强度大小关系与通过分子动力学软件计算出的对应基板界面发生剥离时需要的能量大小关系一致。镀银基板最大,镀金基板次之,没有镀层基板最弱。分子动力学模拟的方法能简单快速地为评价纳米银焊膏与不同镀层材料的界面结合能力提供参考。针对DBC基板失效,基于描述基板金属铜层高温环境下塑性性能的Chaboche模型参数、温度循环试验结果和有限元(FEM)热应力计算方法,对DBC三氧化二铝陶瓷基板在高温循环载荷下的热应力进行了分析,并讨论了基板内部热应力和塑性应变分布与热疲劳寿命之间的关系。最后利用一组倒角长度为1mm基板试样和一组没有倒角的试样在-55oC~250 oC做了温度循环试验进一步考察了基板内铜层倒角和基板热疲劳寿命的关系。结果表明:基板中铜层上的倒角能改变基板内产生的最大热应力所在的位置和降低基板边缘处的塑性应变值,并能够延长基板的热疲劳寿命。通过DBC基板试样在不同温度循环范围内的热疲劳试验结果发现,借鉴的塑性材料超低周疲劳寿命预测模型能够对DBC三氧化二铝陶瓷基板裂纹萌生寿命进行较好分析。为了进一步了解带裂纹基板的热疲劳裂纹扩展特性,本文考虑了试样的长度、宽度和试样长宽比的影响,设计了两种长度,两种宽度和三种长宽比的四组不同尺寸试样用于-55oC~250oC温度范围内的热疲劳试验。最后本文利用裂纹热应力强度因子的定义研究了含裂纹DBC三氧化二铝陶瓷基板的断裂性能。带裂纹DBC三氧化二铝陶瓷基板失效过程大致可以分为三个阶段:第I阶段,裂纹迅速扩展;第II阶段,裂纹缓慢扩展;第III阶段,裂纹停止扩展。裂纹扩展速率随着裂纹长度的增长而逐渐减少。试样的长宽比对裂纹扩展速率影响不大。裂纹热应力强度因子数值随着陶瓷层的厚度增加而增加,随着裂纹长度的增加而减小。当裂纹热应力强度因子大于其自身的裂纹临界热应力强度因子的数值时,裂纹便会扩展。