当前微电子器件和系统正朝着小型化、低功耗、多功能的方向发展,晶体管的特征尺寸不断缩小并逼近物理极限,互连引起的时延和功耗不断增加,提高集成度的工艺难度也日益加大,传统集成电路的构成方式面临着越来越多的瓶颈。通过芯片垂直堆叠而成的三维集成电路(3-D IC)的出现为上述问题提供了解决方案。硅通孔(TSV)技术是3-D IC的关键技术之一,能够实现堆叠芯片之间的垂直电气连接,缩短了互连长度,降低了时延和功耗,提高了互连密度。同时,基于TSV的3-D IC具有较小的封装尺寸,且能够实现异质集成。本文针对基于TSV的3-D IC面临的电磁和热问题,围绕寄生参数提取、信号完整性和电源分配网络(PDN)阻抗分析、Laguerre-FDTD全波建模方法在互连分析中的应用、瞬态热仿真和分析这四个方面展开了研究。主要内容和贡献概况如下:(1)对具有低间距直径比、靠近硅衬底边缘/角落、考虑不同形状和垂直分层介质影响这三种情况下TSV的寄生参数进行快速提取和分析。针对第一种情况,利用矩量法考虑了耗尽层以及邻近效应对TSV寄生参数的影响,相比于传统经验公式更为准确。针对第二种情况,利用矩量法和镜像法相结合将硅衬底边界对TSV电荷分布的影响考虑进来,给出了靠近硅衬底边缘/角落与中心位置时寄生电容电导之间的差异和变化机理。针对第三种情况,将前面讨论的二维方法扩展到三维,实现了形状参数和垂直分层介质影响TSV寄生参数变化的分析。(2)针对TSV互连的复杂信号完整性问题和PDN阻抗进行了建模和分析。对具有低间距直径比TSV建立的等效电路模型能很好模拟其传输特性以及近远端串扰噪声。针对差分TSV,在分析其传输特性的基础上给出了差分TSV的均衡化方法,最终获得了平坦的频率响应输出并改善了眼图;详细研究了差分TSV中存在的两类串扰问题,并提出双绞线型和偏移双绞线型差分TSV结构实现了噪声抑制;讨论了三种情况下差分TSV传输路径的非对称性引起的差模到共模噪声的转换。针对混合普通TSV和同轴TSV网络,建立了等效电路模型并求解出同轴外导体接地和凸点高度对混合网络中噪声的影响。针对基于TSV的3-D IC的PDN,利用等效电路模型给出了供电端口位置、P/G TSV排布方式和高度对PDN阻抗的影响。(3)改进了 Laguerre-FDTD方法并将其用于3-D IC转接板互连的分析中。首先推导了扩展Laguerre-FDTD方法,通过将集总元件的伏安特性与麦克斯韦方程相结合并转换到Lauguerre域中,可以分析包含集总元件的微波电路,相比于CN-FDTD方法能够克服时间步长取值较大时带来的数值色散误差问题;然后推导了二维和三维共形Laguerre-FDTD方法,适用于求解包含曲面结构的模型,相比传统Laguerre-FDTD中利用阶梯近似处理的计算结果更为准确,避免了网格细化带来的计算时间和内存的增加。最后利用共形Laguerre-FDTD方法分析了玻璃转接板中PDN谐振对垂直互连通道传输信号的影响。(4)提出了 Thermal-WLP方法,用于求解和分析3-D IC的瞬态热问题。该方法基于加权Laguerre多项式和时域伽辽金方法消去时间变量,具有无条件稳定性,且满足能量守恒定律。该方法中的温度场的迭代采取阶数步进格式,数值稳定性不再受时间步长取值的影响,因此在计算效率上相比与传统基于时间步进的数值方法具有一定的优势,适合求解含有TSV等复杂结构的3-D IC的瞬态热问题。通过数值算例分别对3-D IC进行了瞬态温度评估和热隔离分析,验证了所提方法的准确性和有效性。最后将Thermal-WLP方法与Laguerre-FDTD方法相结合,计算并讨论了非均匀温度分布对TSV到电路耦合噪声的影响。