绝缘栅双极晶体管(IGBT)现已成为功率半导体器件主流,是实现电能变换和控制的技术关键,其广泛应用离不开可靠的封装。IGBT功率模块封装涉及热学、电学、力学、材料等多学科交叉,其可靠性研究及优化设计对功率模块失效理论发展及其产业化意义重大。迫切需要深入研究IGBT功率模块的失效机理,分析封装材料、工艺、结构等因素对模块可靠性的影响。本论文围绕IGBT功率模块封装可靠性相关问题,对影响IGBT模块可靠性的几个因素(绝缘基板、焊料层、散热)开展可靠性试验研究和分析,并在此基础上以提高可靠性为目的提出相应的优化设计方案。首先,通过热循环试验及失效分析阐明直接敷铜(DBC)基板的失效模式,理论分析DBC基板的失效机理,建立基于应力强度因子及最大切向应力理论的DBC基板界面裂纹曲折破坏准则。分别通过解析方法及数值方法计算DBC基板热应力强度因子,应用所建立的破坏准则分析裂纹从铜-陶瓷界面奇点萌生后向陶瓷内部扩展的过程。试验、理论分析及有限元仿真三者得出的结论相吻合,证实所建立的界面裂纹扩展准则的合理性。其次,提出一种采用梯度铜层结构的DBC基板结构设计方案,采用等效电容法测得的热循环寿命统计结果表明该结构能够有效提高DBC基板可靠性；建立梯度铜层DBC基板的热机械耦合仿真模型,采用修正的超低周疲劳寿命预测模型对该基板进行热循环寿命预测,预测结果与试验结果相符：通过基于有限元仿真的试验设计方法分析基板结构参数对基板应力分布及热循环寿命的影响,优化梯度铜层DBC基板的结构参数。再次,通过IGBT功率模块大面积焊接试样热循环试验和失效分析,阐明焊料热疲劳失效模式：建立焊接试样热机械耦合模型分析热循环过程中焊料的应力应变情况：采用基于应变及基于能量的寿命预测模型预测焊料疲劳寿命,预测结果均与试验相符。通过超声扫描显微镜观察焊料层空洞在热循环过程中的演化,采用有限元热分析建立芯片结温与空洞率或空洞分布的函数关系。建立回流焊接工艺动态热机械耦合仿真模型,通过基于有限元仿真的正交试验设计,分析焊接结构多个参数对模块应力分布及翘曲的影响,从而优化焊接结构,提高功率模块可靠性。最后,应用微通道技术实现大功率IGBT模块主动散热,建立计算流体动力学模型和热机械耦合仿真模型,分析底板预置微通道的IGBT功率模块的热机械性能,包括模块工作状态下的温度分布、回流工艺后的残余应力和翘曲、工作状态下的应力和翘曲；仿真所得翘曲结果与三坐标仪测量结果一致。底板预置微通道的IGBT模块工作状态下翘曲几乎为零。通过有限元参数化分析求得铜底板和焊料层的厚度对硅芯片应力的影响,对模块进行优化以降低芯片应力,提高模块可靠性。