《功率器件多物理场仿真技术：COMSOL原理与操作实例》以功率器件多物理场仿真技术为主线，以基础理论为核心、COMSOL软件实操为手段，深入浅出地呈现了功率器件基于COMSOL的有限元仿真分析方法与结果。全书可分为基础理论、封装仿真、可靠性仿真三部分：基础理论部分涵盖功率器件核心知识、有限元仿真原理及COMSOL软件实操技巧，助力读者理解仿真物理机理；封装仿真部分聚焦于电气特性和热特性仿真分析，探讨电流分布、热仿真模型校准及瞬态热特性等关键问题；可靠性仿真部分则涵盖温度冲击、功率循环、水汽入侵等对器件寿命影响的仿真分析，提供了材料疲劳和裂纹表征的理论及预测方法。 本书特色鲜明，通俗易懂，实用性强，提供丰富的案例分析，可为系统学习功率器件仿真奠定理论和技术基础。 本书适合功率半导体、电力电子、材料科学、能源等领域的企业工程人员、科研人员，以及高校相关专业高年级本科生及研究生，特别是希望系统理解功率器件仿真技术并掌握COMSOL软件应用技巧的读者。

第1章功率器件基础001~048 1.1功率器件应用001 1.2芯片结构和原理003 1.2.1PiN二极管003 1.2.2SiC MOSFET004 1.2.3IGBT005 1.2.4GaN008 1.3功率器件封装技术011 1.3.1现有封装技术012 1.3.2键合线技术017 1.3.3焊接技术018 1.3.4塑封保护021 1.4可靠性测试和理论023 1.4.1可靠性测试理论024 1.4.2温度冲击测试025 1.4.3高温高湿反偏测试028 1.4.4功率循环测试035 1.4.5多应力耦合测试044 1.5小结047参考文献048 第2章有限元分析基础049~062 2.1自然现象的数学描述049 2.2数学方程描述050 2.2.1常微分方程050 2.2.2偏微分方程051 2.2.3代数方程052 2.3有限元法的实现052 2.3.1弱形式的概念与实现054 2.3.2基函数的实现056 2.3.3瞬态问题的时间步离散058 2.4基于牛顿迭代法的代数方程求解059 2.5小结062 参考文献062 第3章COMSOL基本操作063~119 3.1COMSOL软件功能063 3.1.1有限元软件简述063 3.1.2仿真建模平台065 3.1.3仿真App平台071 3.2COMSOL软件基本操作077 3.2.1仿真模型建立077 3.2.2材料参数指定085 3.2.3网格剖分088 3.2.4边界条件093 3.2.5求解器设置095 3.2.6结果展示与后处理098 3.3COMSOL软件高级功能103 3.3.1全局参数和变量103 3.3.2函数类型104 3.3.3探针使用110 3.3.4耦合算子112 3.3.5全局方程与优化116 3.4小结119 第4章器件电气特性仿真120~148 4.1寄生参数提取120 4.1.1寄生参数原理121 4.1.2仿真模型建立123 4.1.3边界条件设置124 4.1.4计算结果展示127 4.2一维电路仿真128 4.2.1芯片模型校准128 4.2.2多芯片并联模型130 4.2.3仿真电路搭建131 4.2.4均流仿真分析133 4.3三维电路仿真134 4.3.1三维电路模型建立135 4.3.2高频特性对芯片电流影响135 4.3.3外部铜排对芯片电流影响138 4.4高压绝缘分析141 4.4.1芯片电场仿真141 4.4.2封装材料绝缘分析145 4.4.3硅胶老化对绝缘影响146 4.5小结147 参考文献148 第5章器件热特性仿真149~202 5.1结温物理意义149 5.1.1结温定义149 5.1.2结温测量方法150 5.1.3结温物理表征153 5.2一维热网络模型156 5.2.1热阻和热容的定义156 5.2.2Cauer热网络模型和Foster热网络模型159 5.2.3热网络模型电路仿真159 5.3三维热特性仿真162 5.3.1仿真模型建立162 5.3.2瞬态热特性获取166 5.3.3仿真模型校准169 5.3.4电热仿真与纯热仿真对比171 5.3.5仿真App176 5.4多芯片结温分布182 5.4.1纯热仿真183 5.4.2电热仿真185 5.4.3电热仿真与纯热仿真对比187 5.5芯片分层模型189 5.6器件回流焊仿真191 5.6.1回流焊的定义191 5.6.2相变态的表征和仿真设置193 5.6.3回流焊仿真结果199 5.7小结201 参考文献201 第6章器件温度冲击仿真203~241 6.1非线性材料204 6.1.1弹塑性材料204 6.1.2蠕变材料210 6.1.3黏塑性材料214 6.2周期函数实现216 6.2.1插值法217 6.2.2解析函数218 6.2.3事件接口219 6.3温度冲击热应力仿真221 6.3.1基础仿真模型介绍及通用操作设置222 6.3.2纯结构力学仿真228 6.3.3热-力耦合仿真236 6.4小结241 参考文献241 第7章器件功率循环仿真242~303 7.1电-热-力耦合243 7.1.1电-热耦合243 7.1.2热-力耦合245 7.1.3CFD仿真247 7.2优化技术252 7.2.1优化方法252 7.2.2优化求解器259 7.3功率循环仿真265 7.3.1纯热仿真分析266 7.3.2电热仿真分析270 7.4热应力仿真280 7.4.1热-力耦合仿真280 7.4.2边界条件设置280 7.4.3热应力分析285 7.4.4塑性应变分析286 7.5功率循环影响因素287 7.5.1测试条件影响287 7.5.2焊料空洞的影响295 7.5.3封装材料影响298 7.6小结303 参考文献303 第8章器件湿度耦合仿真304~328 8.1水汽入侵仿真304 8.1.1水汽入侵机理305 8.1.2湿度仿真方法306 8.1.3边界条件设置309 8.1.4仿真模型校准311 8.1.5仿真结果展示313 8.2热-湿-力直接耦合仿真314 8.2.1热-湿-力耦合原理314 8.2.2热-湿-力耦合难点316 8.2.3热-湿-力耦合模型318 8.2.4仿真模型校准及边界条件设置323 8.2.5直接耦合结果分析325 8.3小结327 参考文献327 第9章器件疲劳寿命仿真329~356 9.1材料疲劳理论329 9.1.1结构力学的失效329 9.1.2裂纹建模分析333 9.1.3材料疲劳335 9.2物理失效寿命模型337 9.2.1高周疲劳338 9.2.2低周疲劳339 9.2.3随机载荷与雨流算法342 9.2.4器件寿命模型344 9.3疲劳寿命仿真345 9.3.1疲劳物理场设置346 9.3.2力学结果继承350 9.3.3疲劳仿真结果及分析350 9.3.4寿命预测351 9.4器件寿命对比351 9.5小结355 参考文献356 第10章总结与展望357~358