本论文首先提出了用时域非线性有限元(NTD-FEM)来高效求解稳态和瞬态热传导问题的方法。同时,该方法引入了预条件共轭梯度法和逐单元并行技术来求解由有限元法形成的大型稀疏矩阵,从而增加了计算效率,并减小内存消耗。此外,包括随温度变化的电导率和热导率等材料非线性因素也严格包含在了计算中。保证了计算结果的精确性。之后,本论文利用该方法对超大规模集成电路中多层高密度互连结构在静电脉冲(ESD)作用下的瞬态热响应作了系统的研究。通过对符合国际半导体技术蓝图(ITRS)所制定90-、65-、45-以及32-nm规范的互连线阵的精确建模和计算,深入分析和讨论了不同波形静电脉冲激励下结构的温度分布、最高温度以及温度上升时间的变化。最后,本论文使用该方法对有源功率器件——砷化镓场效应管在高功率脉冲下器件内部的热堆积问题进行了模拟。并详细研究了脉冲信号功率、间隔时间、频率等不同参数对温度响应的影响。