三维(3D)芯片集成作为新一代封装技术,使微电子封装呈现传输速度快、密度大、尺寸小的优点,促进了封装行业的迅速发展。硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)作为实现三维互连的关键技术,其可靠性直接影响着整个电子封装产品的可靠性。本文以有限元数值模拟为基础,利用Abaqus软件建立有限元模型,对多芯片三维堆叠封装结构和TSV界面热机械可靠性进行研究。主要内容如下:将断裂力学与有限元方法相结合,研究了三维堆叠封装硅通孔界面可靠性问题。首先分析热冲击载荷下的TSV结构整体应力应变状态,确定了铜/二氧化硅界面为潜在失效界面以及最易产生裂纹的关键点位置。建立损伤模型模拟了温度载荷下铜/二氧化硅界面裂纹的萌生和扩展行为。结果表明,降温过程中温差达到325K时,裂纹发生失稳扩展,界面破坏。其次,研究了铜/二氧化硅界面裂纹对其可靠性影响,分析对比了表面裂纹和埋藏裂纹的扩展行为以及促使其扩展的驱动应力形式,当裂纹扩展到2μm以上,张开型应力起主要的作用。最后,通过铜柱疲劳寿命预测界面分层对TSV结构可靠性的影响。对三维堆叠封装结构中芯片间的微焊点、中介层与PCB板之间的常规焊点、不同芯片TSV结构等关键位置热机械可靠性,分别确定最易失效的危险位置。探究了二维简化模型对分析硅基体以及界面应力应变响应的适用性。提出了一种填充聚合物的新型硅通孔结构,指出其在可靠性方面的提升。利用正交设计实验(DoE)和有限元仿真分析计算相结合的方法,得出主要结构参数对TSV可靠性的影响规律。