随着半导体技术的发展和应用需求的提高，传统二维芯片的发展瓶颈逐渐显现，尤其是在特征尺寸进一步缩减时带来的可靠性降低、设计复杂度增加更为突出。三维芯片（亦称三维电路）的出现为集成电路的发展提供了全新的解决方式，其由多个晶片通过硅通孔TSV在垂直方向堆叠而成，这在不需要改变特征尺寸的情况下大大提高了芯片集成度。三维芯片带来诸多优势的同时亦存在较多问题亟待解决。过多的硅通孔占据了较大的芯片面积，增加了三维芯片的制造和设计成本，堆叠结构使得三维芯片工作时的峰值温度升高，因此降低了芯片的可靠性和性能。本文正是针对这两个问题展开研究。主要工作如下：首先，介绍了三维芯片的一些相关概念和制造工艺；讲述了三维芯片的一些关键技术，例如硅通孔技术；对一些相关研究工作进行了分析与总结。其次，针对三维芯片硅通孔数目过多的问题，给出了硅通孔数目敏感的三维电路划分方案。利用模拟退火算法进行三维电路划分，协同考虑了芯片面积和硅通孔数目。MCNC标准电路上的实验结果证明了本文方案能有效地提高芯片面积利用率、降低硅通孔数目。最后，针对峰值温度过高的问题，给出了一种温度敏感的三维芯片布图规划方案。提出了“热”块的概念，在三维芯片布图规划时，首先就将“热”块固定在三维芯片的底层，因为底层靠近散热器，有利于三维芯片散热；然后再通过适当的层内和层间热量约束指导三维芯片布图规划。MCNC标准电路上的实验结果证明了本文方案能有效地降低芯片峰值温度。