船舶在国民经济中发挥着不可或缺的作用,其数字系统的可靠性对保障航运过程中的安全和机动性尤为重要。近年来,基于多层互联技术的三维集成电路（Three-dimensional Integrated Circuit,3D IC）凭借其更高的集成度、更低的线间延迟和制造成本等诸多优点,逐渐替代传统的二维芯片成为船舶高速数字系统的载体。然而,由于多层芯片间粘合材料的低热导率以及单位体积内更高的热流密度,3D IC不可避免的面对严重的热可靠性问题。本文分别对3D IC中的两个核心散热器件——微通道热沉（Microchannel Heat Sink,MCHS）和热硅通孔（Thermal Through-silicon via,TTSV）进行了热特性分析,并对它们的关键特征进行了优化设计。针对MCHS,本文首先建立了精确的热阻和压降数学模型,以评估不同浓度和温度的混合Fe3O4/石墨烯纳米流体在作为工质时的传热和水力性能。数值验算表明,热阻计算结果与Tuckerman三组实验数据的最大误差均小于10%,且模型B在不同的流动条件下与实验数据的最大误差仅为5.56%。其次,本文通过多目标粒子群优化（Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO）算法获得了MCHS通道宽度和间距的优化尺寸,并采用K-means聚类法,将优化解集的Pareto前沿划分为传热性能最优、平衡性能最优和水力性能最优的三个聚类区域。最后,本文以传热增强系数为评价标准,分别对上述区域的综合性能进行了分析比较。研究结果表明,混合Fe3O4/石墨烯纳米流体作为工质时,对MCHS传热和水力性能可以获得两类优化结果:其一,同时得到更低的热阻和压降;其二,小幅增高MCHS的热阻并大幅降低其泵功率损失。针对TTSV,为了探究其形状、排布方式和结构对3D IC热-机械可靠性的影响。本文利用COMSOL,对上述三个因素所导致的芯片间的温度场和热应力场的变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:首先,在相同面积条件下,矩形TTSV比常用的圆形TTSV具有更好的导热性能,但同时其也更容易导致芯片内部的机械可靠性问题;其次,相比于顺排,采用叉排的方式,可以提高相邻TTSV之间的热传导能力,但同时也导致了热应力的上升;最后,本文分别提出的矩环形TTSV和矩形同轴TTSV均可以降低其周边热应力,但其导热性能也会随之下降,若将填充材料替换为碳纳米管则可以有效改善该问题。