近年来,贯穿硅通孔(Through Silicon Via,TSV)作为主流的三维封装技术,通过在芯片或者晶圆之间制作硅孔,在硅孔内填充金属实现多层芯片间电气和机械的直接互连,因其鲜明的工艺特点得到业界的关注。然而,三维封装TSV技术封装密度的提高导致芯片功率密度急剧上升,TSV面临着严重的散热问题,温度的急剧升高产生的热应力问题也更加突出,严重的热应力失配将会造成整个TSV封装结构的互连失效。因此,TSV的散热和热应力失配问题是制约该技术发展的关键问题之一。本文针对上述三维封装TSV结构面临的问题开展研究。首先,建立多层芯片堆叠的三维封装TSV有限元模型,分析在不同载荷作用下整体温度场和热应力分布情况,采用正交试验法分析芯片高度、TSV直径和间距对散热性能和热应力的影响。其次,针对新节点下TSV面临的问题,利用碳纳米材料良好的热力学、机械和材料特性,提出将碳纳米材料作为TSV结构的过渡层,并使用有限元分析方法研究三维封装TSV新结构在提高散热能力和降低热应力方面的效果,解决TSV技术发展的关键难题。最后,根据提出的三维封装TSV新结构,研究新结构的制备方法,包括硅孔的刻蚀、阻挡层金属的沉积、碳纳米材料的生长方法和硅孔的电镀填充工艺等,为新技术节点下TSV结构的设计,工艺制造和性能分析提供新的思路。