随着芯片集成度的不断增长,基于硅通孔(TSV)的三维集成技术应运而生。由于其可提供芯片之间的垂直互连,从而极大地降低了全局互连长度,使芯片互连延时及功耗得以改善,成为实现系统高密度集成的关键技术之一。但是随着半导体工艺尺寸的降低,互连线的自热效应加剧,芯片自身功率密度增加,键合层材料导热性差等因素直接导致其面临严峻的热可靠性问题。因此研究三维集成电路中TSV阵列的热特性变得非常迫切。本文针对TSV阵列,基于阵列结构参数、阵列排布方式以及电热协同优化等方面,使用COMSOL有限元分析软件,系统地分析了TSV阵列的热特性。能够对未来三维集成电路中TSV阵列的热可靠性设计提供有力参考。首先,基于国内外研究现状确定TSV阵列基本参数,并通过正交试验得出TSV阵列结构参数,包括TSV半径、间距、绝缘层厚度及材料等对其最高温度影响的主次顺序以及最优参数组合,同时建立了上述四个结构参数与阵列最高温度之间的多元二次回归模型,并通过计算其与有限元仿真之间的误差来验证回归模型的准确性。其次,为了体现所提出新型正三角形排布方式在散热性能上的优势。构建TSV阵列的等效热导率模型,并验证其正确性,利用上述模型计算并对比正三角形及传统矩形TSV阵列排布下的等效热导率,得出正三角形排布方式在导热性能上优于矩形的结论。同时通过有限元手段对比上述两种排布下TSV基本单元以及4-TSV阵列的温度分布,进一步验证上述结论。最后,从电场和热场相互耦合的机制出发,利用COMSOL分析了2-TSV和4-TSV之间的热串扰及TSV间距和氧化层厚度对串扰的影响,同时协同分析了分布式、分组式以及行重复式的信号串扰噪声以及其在直流信号、周期脉冲以及ESD脉冲下的瞬态热响应,并对信号脉冲宽度和幅值等影响其电热响应的因素进行了分析,力求得出信号噪声串扰小并且散热性能好的阵列排布。