随着电力电子技术的发展，功率电子器件已经迈入飞速发展的阶段，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）作为功率器件中新一代的复合型全控功率器件集成了MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）和GTR（Giant Transistor）的特性，因其输入阻抗大、驱动功率小、控制简单、开关损耗小、开关速度快等诸多优点已经被广泛应用于轨道交通、电机控制、光伏发电、家用电器、智能电网等领域。随着功率器件的功率密度需求不断提高，IGBT模块的可靠性问题日益凸显，特别是在如轨道交通、电动汽车、航空航天等零容错的领域，任何形式IGBT模块的失效都可能是致命的并伴随大量的经济损失。由于国内IGBT模块封装工艺技术水平长期落后于国外，导致国内厂商生产的模块可靠性远低于国外厂商，特别是1200V以上的IGBT模块市场基本上已经被如英飞凌、三菱和ABB等国外厂商垄断。本课题针对IGBT模块封装工艺中的一些基础性科学与工程问题展开研究，旨在基于工艺力学结合IGBT模块封装材料和结构来研究提高IGBT模块封装工艺质量和IGBT模块的可靠性，为打破国外技术垄断，促进国内IGBT模块封装技术的研究与发展奠定一定的理论和技术基础。　　回流焊工艺是IGBT模块封装工艺中至关重要的一步，是控制模块封装质量的重要环节。研究与工程实践表明，大部分IGBT模块的可靠性问题都与IGBT模块回流工艺质量有关，在IGBT回流工艺中容易产生焊料飞溅、焊料层空洞、多层焊料坍塌、焊料层裂纹等工艺缺陷，还会由于回流工艺温度变化特性与封装材料热失配，回流以后会IGBT模块会产生较大的残余应力和翘曲，这不仅会影响后续封装工艺，增加后续工艺实施难度，降低工艺质量，更会直接影响模块可靠性，降低模块使用寿命。因此对IGBT回流工艺的研究至关重要。本文基于工艺力学从封装材料、封装结构以及工艺参数三个方面对IGBT模块回流工艺进行系统深入的研究。针对IGBT模块焊点尺度和回流温度变化特性，研究无铅焊料不同温度下的应力应变特性，提出了适用于高温的无铅焊料的粘塑性本构模型的优化方案，基于得到的材料数据以及修正的本构模型，利用数值模拟和实验的方法针对影响模块可靠性在IGBT模块回流工艺中常见的至今仍无法有效解决的若干问题进行了定量深入的研究，通过研究缺陷产生机制和影响因素，分析回流工艺对IGBT模块疲劳寿命的影响，优化回流工艺参数和模块封装结构，提出改进方案，从而大幅提高IGBT模块回流工艺质量和模块可靠性。本课题研究成果能为 IGBT模块的封装工艺研究和可靠性设计及评估提供重要的参考依据，并且为IGBT模块研究提供一套成熟完整的工艺力学分析方法。　　本论文的主要工作及创新点包括：　　1.将工艺力学引入IGBT模块封装中，提出IGBT模块封装连续工艺力学的概念，系统阐述了IGBT封装工艺力学应力应变特性和封装材料断裂评估标准，提出完善的连续工艺力学研究分析方法以并应用于IGBT模块封装可靠性问题分析。　　2.本文系统阐述了无铅焊料的Anand粘塑性本构模型，针对Anand粘塑性模型高温失准等问题，提出适用于IGBT回流工艺粘塑性本构模型的修正方案，基于IGBT模块焊点尺度分析其温度和蠕变特性，研究其高温下工艺力学特性，为无铅焊料应用IGBT封装提供可靠的工艺力学特性数据。　　3.针对回流温度曲线进行了系统研究，根据阻焊剂在回流工艺各阶段作用分析研究了焊膏阻焊剂对回流温度曲线的影响，引入预热因子的概念，分析论证了回流预热和保温阶段升温速度和保温时间对焊点质量的综合影响。通过分析回流过程中焊料与铜基板之间形成的金属间化合物IMC（Intermetallic compound），研究IMC对回流温度曲线的影响，并通过加热因子方法研究了回流温度和持续时间对焊点质量的影响，从而扩宽了回流温度曲线设置的工艺窗口。分析研究了IGBT模块封装结构对回流温度曲线的影响，协调了设置温度曲线、理想温度曲线和实际经历温度曲线之间的关系，通过优化，使焊料层实际经历的温度曲线更贴近于理想回流温度曲线，从而提高了回流焊接质量。　　4.由于IGBT模块的封装材料的热膨胀系数不同，因此回流过程中大范围温度变化引起的IGBT模块中的残余应力和翘曲不可避免，特别是因回流产生的IGBT模块的翘曲，将会直接影响后续封装工艺和模块实际应用中的装配过程。本文研究分析了IGBT封装结构和材料对回流引起的翘曲和残余应力的影响。基于连续工艺力学分析了铜基板中用于增强模块散热内置微通道对回流引起的残余应力和翘曲的影响，验证了微通道冷却方法用于IGBT模块中的可行性。提出了三种用于减少回流引起的残余应力和翘曲的方法，通过有限元方法以及实验，验证了三种方法在减少IGBT模块因回流引起的翘曲上具有显著的效果，为国内IGBT模块生产提供了切实可行的减少翘曲方法。　　5.本文通过有限元模拟和实验验证的方法，研究了焊料层倾斜对IGBT模块疲劳循环寿命的影响，基于自由能最小原理研究了IGBT模块焊料回流倾斜的产生机理，分析焊料回流倾斜影响因素，为减少回流倾斜提供重要参考依据。利用数值模拟方法研究了回流引起的焊料层空洞对IGBT模块可靠性的影响，揭示了焊料层空洞尺寸和位置对于IGBT模块散热能力以及热力性能的影响，提出了一种用于辅助减少回流空洞的方法，为国内IGBT模块的设计和生产提供重要的参考依据。