绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是一种复合全控型电压驱动式的功率半导体器件,具有驱动功率小和饱和压降低的优点,是能源变换与传输领域的关键器件,广泛的应用也对IGBT模块的稳定性、可靠性和使用寿命提出了更高的要求,这需要我们充分了解IGBT模块的失效模式和相应的演化机理。在大电流和高开关频率的工况下IGBT模块会产生很大的功率损耗,造成芯片结温升高,模块内出现应力变化,在应力和温度的作用下模块内的各种材料出现退化甚至引发封装失效,其中Al金属化层退化会造成IGBT模块饱和压降V_CE（sat）的增大,从而加速模块的老化,几乎所有失效的IGBT模块都出现了Al金属化层的退化现象,因此研究Al金属化层的演化机理,对IGBT模块的可靠性和使用寿命的提高具有重要意义。本文采用失效分析和数值模拟相结合的方法,详细分析了功率半导体器件IGBT模块Al金属化层的微观与宏观力学行为,研究内容如下:（1）搭建直流功率循环实验平台。平台包括主电路、驱动电路和测量电路;实验平台可以实时采集芯片结温、模块壳温和饱和压降V_CE（sat）等特征参数。使用直流功率循环实验平台对7组IGBT模块进行了老化实验。（2）表征IGBT模块Al金属化层的微结构演化过程。对初始模块和7组经历老化循环实验后的模块进行开封,制备IGBT芯片试样。使用双束系统分别对Al金属化层表面形貌和横截面微结构演化过程进行表征,发现在老化循环试验后Al金属化层出现表面粗糙化和晶粒细化现象。使用X射线衍射法和电子背散射衍射技术分别统计Al金属化层表面和横截面的织构演化过程,发现Al金属化层表面（111）晶向强度逐渐减弱,（311）晶向强度逐渐增强。最后通过EBSD技术对Al金属化层横截面进行物相分析,发现老化循环实验后Al金属化层横截面上的Si元素由初始状态的弥散分布改变为在晶界处偏聚,Si元素在晶界处的偏聚会造成晶界脆化和应力集中现象。（3）对模块进行电-热-力有限元分析。使用有限元软件ABAQUS建立了IGBT模块的全模型以及Al金属化层部分的子模型,对全模型进行电-热-力有限元计算,得到了全模型的温度场分布和应力场分布,温度场分布与红外测量结果相一致,Al金属化层中心位置的应力高于边缘位置,而在与键合线相连的键合界面上边缘位置的应力值高于中心位置;通过对网格质量更高的子模型进行计算,分析了Al金属化层部分的塑性变形,当应力值超过Al材料的屈服强度时,Al金属化层就开始发生塑性变形,与微结构表征结果相一致,Al金属化层中心位置的老化程度比边缘位置更严重。