芯片堆叠立体组件具有组装密度高、互连线短、体积小、重量轻等特点，在对电子器件体积和重量有严格要求的航天航空领域有着巨大的需求。然而，芯片堆叠由于散热面积小，散热方式受限，芯片发热量成倍增加，从而导致芯片的性能和可靠性降低。因此，对芯片堆叠进行热分析，寻找合理的热源布局，实现布局优化设计显得极为重要。目前，国内外还没有较为成熟的理论和数学方法可以有效地解决这一问题。在热分析中，虽然经典的傅里叶热传导理论可以解决很多工程中的热传导问题，但对尺寸微细化后的热量波动传播机制却不能合理解释。因此，本文将非傅里叶热传导理论应用到三维芯片堆叠的热分析中，建立了三维芯片堆叠的非傅里叶热传导模型，采用有限差分法对模型进行求解，得到三维芯片堆叠的温度场。利用热分析软件Icepak对相同的实例模型进行仿真，并对两种方法得到的结果进行比较分析。结果表明，用非傅里叶热传导模型计算得到的温度场和仿真结果基本一致，能够较为正确地体现三维芯片堆叠的热分布情况。在热设计方面，针对芯片堆叠的热布局优化问题，使用热叠加模型，结合热传导公式，以所有芯片温度中最高值作为评价指标，确定了用于三维芯片堆叠热布局优化的适应度函数；采用模拟退火离散粒子群算法对芯片热布局进行优化，得到优化后的芯片堆叠布局方案，并用Icepak软件对优化后的布局进行了仿真验证。仿真结果表明：采用模拟退火离散粒子群算法对三维芯片堆叠进行热布局优化可以使温度分布更加均匀，最高温度明显降低。本文后续工作是将优化后的布局方案和散热技术结合起来，进一步提高电子设备的性能和可靠性。