半导体集成电路经过几十年的快速发展,受到元器件尺寸、芯片功能、成本效益等方面的严重制约。作为一种系统级架构的新型设计方法,三维集成电路(3D IC)的发展越来越受到人们的重视。在3D IC面临的各种挑战中,热问题是急需解决的问题之一。硅通孔(Through Silicon Via,TSV)是3D IC各层间的通信路径,也是重要的热传导路径,通过合理的TSV分布设计可以缓解3D IC的热问题。由于芯片的不同部分工作状态的差异,3D IC中的热点分布不规则、不固定,而固定的TSV位置不能缓解动态的热点。针对这一问题,本文通过TSV簇的热电分析及TSV簇测控电路和TSV簇切换算法的设计,提出了3D IC TSV簇的可变信号机制和测控电路的热优化方法。主要工作如下:本文分析研究了TSV的热电分析方法及TSV模型的建立。提出了本文所用的仿真方法和仿真流程,并基于有限元仿真软件(COMSOL)建立了TSV的模型。分析了用于3D IC热分布和电分布研究中的TSV的热导率计算模型和等效电学模型,为可变信号机制的提出奠定了基础。本文通过TSV簇的热电耦合分析,提出了TSV簇可变信号机制缓解芯片热点的方法。基于TSV模型及其等效电学模型建立了TSV簇的模型,通过计算和比较给模型施加合适的边界条件并进行热电分布的分析。探究了不同边界条件下芯片热电分布的差异,通过所得结论,提出了TSV簇的可变信号机制。本文进行了TSV簇可变信号机制缓解芯片热点方法的分析验证。研究了TSV簇之间热源切换和电信号切换对3D IC热分布的影响。并通过探究TSV簇中单个TSV的直径、高度、间距,各TSV簇之间的间距,及3D IC各层信号切换对机制的影响,验证和优化了TSV簇的可变信号机制。本文设计了TSV簇测控电路并提出了TSV簇信号切换算法。TSV簇测控电路通过CMOS温度监测电路实时监测芯片的热点变化情况,通过CMOS开关门电路实现信号的切换并进行TSV簇信号路径的再分配。TSV簇信号切换算法改进了信号的切换方案,实现了过热TSV簇的切换。本文使用TSMC 0.18μm工艺将温度监测电路进行了流片,并进行了实际芯片的测试。芯片的面积为600μm×700μm。流片后测得当温度达到55.5摄氏度时,TSV簇上的输出电压降低,实现了TSV簇的可变信号机制对热点的缓解作用。本文的研究在保持芯片原始结构和TSV布局的情况下有效地缓解了芯片的热点问题,在3D芯片热管理的研究及应用中具有参考意义。