随着器件特征尺寸的不断减小、芯片集成度的不断提高,超越摩尔定律成为了集成电路行业的发展趋势。在此趋势下,三维集成技术和TSV技术应运而生,成为实现三维微系统的关键技术途径。但是随着三维微系统集成度和功率密度的提高,对电学特性、热特性、应力可靠性等方面带来了诸多的挑战,因此同时考察电设计、热管理与应力的多场耦合分析势在必行。并且随着微系统尺寸的缩小,对封装级的三维微系统进行有限元数值仿真的复杂度也会进一步增大。针对上述问题,本文面向三维集成微处理器系统,通过改进的对偶单元法实现了微系统的快速电热分析,并通过应力叠加原理实现热应力高效计算,能够有效实现微系统热点预测和应力估算,为微系统芯片布局设计提供理论指导。本文首先引入泄漏功率、材料系数随温度的耦合因素并进行了详细分析,基于电热耦合改进了对偶单元法,提出了一种迭代型对偶单元法算法。该算法分解了原有的本构矩阵,使得温变迭代矩阵与传统的有限元法相比具有更小的计算量。之后提出了三维集成微处理器系统的结构,采用等效热导率法建立了TSV结构的等效热导模型并验证了模型的精度。其次,针对微处理器系统对所提算法进行了仿真验证。结果表明,本文所采用的算法相比于传统的有限元法,将仿真速度提升了约30%,并且有着一致的精度。在考虑了电热耦合时,微系统热点温度相对于不考虑耦合的情况上升了20.8K。之后采用本文所提出的算法对三维集成微处理器系统进行布局研究,比较了硅通孔阵列常规布局和Core布局对上下层芯片热点温度的影响,并研究了功率不均匀分配时,两种布局热点温度的变化。最后,面向三维微系统分析了TSV阵列的应力叠加计算方法,并通过验证证明了该方法对计算TSV的等效应力有着良好的精度。基于迭代型对偶单元法得到的温度,研究了电热耦合对应力水平的影响。统计了在每个应力区间的TSV数量,研究常规布局和Core布局的可靠性。研究了封装凸块和微凸块的尺寸对TSV受到的应力的影响。并基于研究结果提出了一种封装凸块的分散布局,统计了在每个应力区间的TSV数量并与常规布局进行比较,结果表明分散布局拥有更好的应力可靠性。