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在电能传输以及航空航天等应用中，电力电子技术几乎在每个领域都起着至关重要的作用，而功率器件正是电力电子技术的基石。随着技术的革新，新型的功率器件逐渐在电力系统中扮演重要角色。作为新型的功率器件，IGBT与GaNHEMT目前已经在各领域有着广泛的应用。由于器件在大功率下工作，其热性能将是影响其可靠性的最重要的因素之一。有统计指出，电子器件的失效大约55％是由过热及热相关的问题造成的。因此，对器件热性能以及封装设计进行深入地研究是一个非常重要的课题。 本课题以新型功率器件为主要研究对象，采用热阻电学测试方法、有限元分析法等手段对IGBT器件的热阻、结构函数等热特性参数和空洞之间的关系进行深入研究，采用有限元分析法对Cascode GaNHEMT器件和模块的封装进行设计，在理论和实验两方面主要完成了以下创新性工作: 首先，对IGBT热阻测量技术进行分析研究。尤其是电学法热阻测量技术，通过实验和有限元分析法对美军标MIL-STD-750E方法3103中绝缘栅双极晶体管热阻抗测试方法与电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)JESD51-14标准中的瞬态双界面测试方法进行了对比分析，得知美军标MIL-STD-750E中的方法更适合于IGBT器件结-壳热阻的测试。通过此测试方法还能测量IGBT器件的结构函数，基于结构函数理论，设计了一种新型的芯片焊接质量电学检测方法，利用该方法对IGBT内部各层结构热阻的构成进行了研究，并得到焊接质量和器件热阻、结构函数的关系。实验表明，该检测方法可以对IGBT芯片的焊接质量进行无损评估。此方法也可用于其他半导体器件芯片焊接质量的检测。 其次，根据美军标MIL-STD-750E中的IGBT热阻测试方法，自主完成了IGBT热阻测试仪的硬件的研制和软件的开发。该仪器能够完成温敏参数、热阻的测试，最大数据采集频率为1MHz，温升测量精度为0.1℃，主要指标均达到国际先进水平。同时，利用C＃语言开发的控制软件能够完成硬件控制、数据处理、分析与保存以及结构函数分析等主要功能。 再次，首次在IGBT元胞级模型仿真中引入热稳定因子与热电反馈效应，并使用此IGBT热电反馈模型来深入研究焊料层空洞对IGBT热特性的影响。在前期的研究中，建立全尺寸模型来研究焊料层空洞对芯片温度分布的影响，结果表明，随着焊料层空洞的增加会使IGBT芯片表面温度升高，较大的空洞会引起芯片局部过热而失效，但是在实验分析中同样尺寸的空洞引起的温升远高于模拟结果。因此，考虑到IGBT芯片的工艺结构、工作原理和IGBT电参数的温敏特性，建立了元胞级的三维模型，并引入了热电反馈效应。仿真结果以及实验表明，器件热斑的形成甚至局部烧毁，不仅是由焊料层空洞引起的，而是焊料层空洞和热电反馈效应共同作用的结果，热电反馈效应加剧了焊料层空洞对IGBT热特性的影响。 最后，通过有限元分析工具对Cascode GaNHEMT封装进行了优化设计。层叠结构设计虽然能优化Cascode GaN HEMT的电学性能，但是在热性能上存在的不足反而限制了其电学性能的发挥。因此，通过对该器件热性能仿真分析，提出了改进方法，并在其三维热仿真模型上进行评估，选取最佳方案对其封装进行改进。实验表明，在同样的实验条件下，新的封装设计中芯片温度(84℃)比传统PQFN封装下温度(94℃)降低了10℃。将该仿真方法以及改进后的器件封装结构设计应用到Cascode GaN HEMT模块的封装设计中，仿真和实验表明，将多个Cascode GaN芯片集成在一个模块内，然后应用于Totem-pole PFC电路中，不仅使电路板的尺寸减小到原来的27％，增加了功率密度，而且在同样的实验条件下，模块中芯片温度(91.7℃)比初始电路中芯片温度(103.5℃)降低了约12℃，改善了整个系统核心器件的散热能力。此外，Cascode GaN HEMT中的SiMOSFET和GaNHEMT采用层叠结构的形式装配，也提高了电路的电学性能。