三维集成电路作为摩尔定律的拓展方式,充分利用了空间维度,解决了严重制约二维集成电路发展的数据传输带宽、芯片功耗和速度等问题。在实现三维集成的过程中,通过在芯片之间、晶圆之间制作垂直导通的互连,实现芯片间信号传输的硅通孔(TSV)技术被视为三维集成电路的关键技术。虽然TSV有着使芯片在z轴方向上堆叠密度最大、芯片之间的互连线最短、高频特性出色和降低芯片功耗等优点,但是在其电学性能和热学性能方面仍面临着许多挑战,并且随着对三维集成电路的深入研究,用有限元法来计算大规模TSV阵列的电热特性将会需要大量的计算时间。本文针对以上问题,围绕三维集成电路中TSV的电热特性,改进了研究所需要的计算方法、布局优化,并从结构参数角度研究了TSV阵列的性能,具体研究成果如下:1、提出了一种用于分析稳态TSV电热耦合特性的电热类比解析计算方法,基于TSV的结构特性和物理特性,同时考虑TSV纵向热阻、横向热阻以及热容的影响建立了TSV的热阻网络解析模型。在TSV稳态电热耦合问题中,将所提算法与有限元数值算法以相比,其结果不仅吻合良好而且计算速度十分可观,同时应用本文所提出的模型针对单个TSV原胞稳态电热耦合情形,从TSV半径、TSV氧化层厚度,TSV所用材料等角度出发,对影响TSV电热耦合响应的因素做出研究。2、提出了一种用于分析TSV电热特性的无网格径向点插值计算方法,基于TSV的结构特性和物理特性对传统的无网格径向点插值法进行了改进,同时考虑TSV组成材料的温变特性和自热效应对电热场进行耦合运算,通过选择合适的形函数,改进TSV相关的电场和热场控制方程,构造场离散后产生的电场节点和热场节点的交错分布策略,并使用共轭梯度法对离散矩阵进行求解等具体步骤快速精确的求解TSV阵列的电热耦合响应。基于本文所提针对TSV阵列的无网格径向点插值法,对TSV阵列的瞬态电热耦合响应做出了详细的分析。在周期性高斯脉冲的作用下,着重研究了单个TSV瞬态电热耦合响应中的温度积累效应。将单个TSV的电热响应扩展到单层TSV阵列上,并改变TSV阵列相关的参数,研究TSV阵列中的热串扰影响。对双层TSV阵列的电热耦合效应也进行了研究,在双层阵列中不但包含TSV阵列还包含有微凸起阵列与RDL阵列。在研究过程中都加入了与精细网格有限元法的对比,所提方法与COMSOL仿真结果吻合很好,且在解决大规模TSV阵列中克服了有限元算法中耗时过长以及所需内存过多的问题。3、同时研究了TSV阵列的电磁串扰和热串扰,并在不增加其他限制条件的情况下,只改变TSV阵列的布局,从而对TSV阵列的信号串扰和热串扰同时起到优化的作用。引入不加信号的屏蔽TSV,采用蜂窝状屏蔽TSV阵列排布方式,在所占面积不变的基础上,进一步优化TSV阵列的两种串扰影响,研究发现随着TSV阵列的增大其降低串扰的效果越明显。基于平行四边型交错排列的TSV阵列,同时对多层TSV阵列进行优化,提出一种在TSV层与层之间交错堆叠的结构,通过上、下TSV信号的反向交叉,使得多层TSV的串扰噪声得到进一步的优化,并为多层结构TSV阵列也加入屏蔽TSV蜂窝阵列改善串扰影响。4、提出了一种快速预测基于TSV的三维集成电路中温度分布的各向异性等效热导率模型。基于等效包含法和均匀分布法,考虑芯片中的TSV、微凸起、RDL的物理尺寸和材料属性及TSV阵列之间的热串扰影响,并利用布局坐标系的转换,将复杂的真实模型转换为简单的等效模型,从而在保证精度的同时提高了计算效率。基于所提等效热导率模型,研究了三维芯片中各个参数对其热性能的影响,并与COMSOL仿真软件对比验证误差小于5%,并将所提算法与有限元仿真的计算时间进行对比耗时减小了95.5%。此外,对三维集成芯片中的参数和结构进行研究,在进一步验证算法精确性的同时,研究影响堆叠三维芯片热性能的主要因素。