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硅通孔（Through-Silicon Via,TSV）技术因其能够使器件具备出色的电性能、高的封装密度以及更宽的带宽等诸多优点,被认为是3D集成的核心和关键。TSV制作普遍采用电镀Cu填充工艺,并采用退火工艺来稳定TSV-Cu的微结构,这使得TSV-Cu微结构与电镀工艺参数、退火工艺条件等密切相关,而微观结构又影响其宏观力学性能。在TSV结构中,Cu的热膨胀系数(17×10-6/℃)与Si基体(2.8×10-6/℃)之间相差6倍,在TSV制备和服役阶段,巨大的热失配会导致TSV-Cu内产生热应力,并在TSV-Cu/Si界面处产生较大的切应力。TSV-Cu内热应力引发塑性、蠕变变形,宏观表现为TSV-Cu的胀出,胀出的TSV-Cu会对其周围结构挤压使其破坏;另外,TSV-Cu/Si界面产生较高水平的切应力,会造成界面的分层或开裂,导致漏电和电击穿,使器件发生失效,并促进TSV-Cu胀出。因此,研究TSV-Cu的胀出行为和TSV-Cu/Si界面完整性对于提高基于TSV技术的三维集成可靠性具有重要意义。实验研究了TSV工艺参数（电镀电流密度、电镀添加剂浓度、退火升温速率）、TSV-Cu微结构、退火胀出量三者间的关系。采用高、低两个水平的电流密度和添加剂浓度制得四种电镀参数的TSV试样,对试样分别进行升温速率10℃/min、1.2℃/min、0.6℃/min的退火处理。分析了工艺参数对TSV-Cu晶粒尺寸的影响,得到了晶粒尺寸与胀出量间的关系。结果表明,高电流密度和高添加剂浓度有助于细化电镀TSV-Cu的晶粒尺寸。退火过程中,退火升温速率影响TSV-Cu晶粒尺寸的演变,升温速率1.2℃/min的条件下,晶粒长大最为明显。退火前后晶粒尺寸较大的TSV-Cu胀出量也较大,与退火前相比,退火后TSV-Cu晶粒尺寸对胀出量影响更加显著。TSV-Cu的退火胀出量包括塑性变形、蠕变变形以及TSV-Cu/Si界面开裂对胀出的促进作用,这些都难以通过TSV-Cu退火胀出的实验研究进行单独表征。因此,在后续工作中分别针对这三种TSV-Cu胀出机制进行研究。通过有限元模拟研究了TSV-Cu退火胀出过程中的塑性变形机制,得到了退火过程中TSV-Cu屈服应力演变对塑性变形的影响。通过实验观察退火前后TSV-Cu的微结构特征,确定了退火过程中TSV-Cu的扩散蠕变机制。基于能量平衡理论推导了TSV-Cu的扩散蠕变率公式。通过将TSV-Cu扩散蠕变应变率参数引入有限元模型中,研究了TSV-Cu退火胀出过程中的蠕变变形机制。结果表明,退火过程中,TSV-Cu晶粒尺寸通过影响屈服应力来影响塑性变形的大小,TSV-Cu晶粒尺寸越小,屈服应力越高,越不易发生塑性变形,但模拟TSV-Cu胀出量结果与实验值存在差距。退火过程中,TSV-Cu发生由晶界扩散和晶界滑移共同诱发的扩散蠕变,扩散蠕变应变率与环境温度、外载应力均为正相关关系,而与晶粒尺寸为负相关关系。模拟结果表明,引入蠕变变形后,TSV-Cu胀出量计算结果与实验值更加接近。另外,TSV-Cu微结构分布影响其胀出形貌,随着TSV侧壁处Cu晶粒尺寸细化,侧壁处Cu的蠕变变形更加明显,TSV-Cu趋向于呈现TSV侧壁胀出量远高于其他区域的“甜甜圈”胀出形貌。研究了TSV-Cu/Si界面完整性对TSV-Cu胀出行为的影响。实验观察了TSV-Cu/Si界面的失效模式,分析了界面失效的影响因素,提出了界面裂纹深度的预测模型。在有限元模型中,通过在TSV-Cu/Si界面处引入内聚力单元分析了界面的破坏机理,研究了界面开裂对TSV-Cu胀出的影响。结果发现,退火后,大部分TSV-Cu/Si界面均发生开裂,裂纹沿Cu种子层内部延伸,Cu种子层内的应力集中是界面开裂的根本原因。TSV-Cu/Si界面裂纹深度预测模型表明,界面粗糙度增大、Cu种子层晶粒尺寸增加均会引发更深的界面裂纹。将界面开裂因素引入到有限元模型中后,与仅考虑塑性和蠕变变形的模型相比,TSV-Cu胀出量模拟结果与实验值更加吻合。为了研究退火后的TSV-Cu在组装以及服役温度循环条件下的胀出行为,根据TSV在组装工艺流程中的温度载荷条件,设计了300℃温差的温度循环实验（25℃-325℃）,另外,根据TSV在服役阶段的温度载荷条件,设计了125℃温差的温度循环实验（0℃-125℃）。通过对温度循环过程中TSV-Cu微结构与胀出量进行观测,研究了温度循环过程中TSV-Cu胀出量与微结构演变间的关系。结果表明,125℃温差条件下TSV-Cu不胀出。300℃温差条件下TSV-Cu发生胀出,同时微结构发生演变。前5次循环中,晶粒尺寸较大的TSV-Cu胀出量较多。随循环次数的增加,胀出量受晶粒尺寸影响不再明显,转而受到TSV-Cu内部取向差的影响越加显著,高水平的取向差可以促进其发生胀出。当循环超过25次,TSV-Cu内部位错塞积造成塑性硬化使胀出速率减缓,30个循环后,胀出量逐渐趋于稳定范围1.92μm-2.09μm。