现如今,随着芯片的制造工艺愈发逼近物理极限,摩尔定律也开始面临挑战。因此,芯片产业界提出了许多技术来打破摩尔定律的局限性,三维集成电路（3D-IC）技术就是其中的代表之一,该技术利用堆叠封装原理将芯片整合到效能和体积都最优的状态。但是,由于紧凑的封装结构,3D-IC的散热,特别是其底部芯片的散热,是一个非常棘手的问题,过高的温度将导致芯片性能下降甚至失效。目前层间微通道冷却技术因具有单位面积换热强度高、体积小、重量轻以及可以直接集成在3D-IC上等优点,是目前解决高热流密度3D-IC散热问题最可行的方案。然而,目前的相关研究都主要针对微通道本身的流动传热特性展开,关于将3D-IC封装原理和微通道散热技术相结合的研究并不多见,并且3D-IC各层的微通道结构和芯片核心（Core）区域参数对微通道换热特性和热应力分布的影响规律尚不明晰。因此,本文将针对高功率3D-IC封装结构优化与微通道散热能力强化展开系统的研究,研究成果以期为3D-IC微通道热管理方案的设计和最佳运行工况的选取提供理论指导。本文采用数值模拟的手段对3D-IC层间微通道内流动换热和热应力分布特性进行了系统的研究。本文首先建立了单层3D-IC层间微通道结构模型,以分析其对3D-IC底部高功率多核处理器芯片的散热效果。分析了TSV针肋的规格和排列方式对微通道流动换热特性的影响,同时也将TSV针肋局部加密和布置挡板等手段对Core区域的最高温度和微通道总压降的影响进行研究。研究结果表明,TSV针肋越宽,层间微通道的散热能力越好,但同时会带来非常明显的压降损失。此外,通过在层间微通道内使用直线/交错混合排列的方式布置TSV针肋,可以在强化散热能力的同时,将压降的升高控制在可接受的范围内。同时,在较大面积的Core（过热）区域使用传统的微针肋加密手段后,不仅使流动阻力增加,还会使芯片Core区域的传热性能恶化。相比之下,本文提出的在下游Core区域周围布置挡板是平衡微通道泵功消耗和散热能力的有效方法,经过优化后,Core区域的最高温度降低了13 K,相应地,总压降增加了2.04倍。随后,根据3D-IC的封装原理,本文也构建了多层3D-IC层间微通道模型,并基于实际冷却需求来独立设计各层微通道结构,研究多层异构的微通道布置方案和冷却工质流向对微通道流动与传热特性的影响。同时,还基于TSV封装设计原理,通过热-流-固单向耦合的研究方法优化TSV针肋布置方式,实现了保证换热性能和降低最大热应力的协同。此外,本文还考虑了在芯片中常见的超频情况对3D-IC安全运行工况的影响。研究结果表明,通过使用长方体和圆柱体TSV针肋混合布置的方案,可以在保证微通道散热能力的基础上使压降减小约31%。同时,在层间微通道使用逆流的流动方式会使3D-IC的最大热应力增加,而基于新提出的3D-IC多层微通道布局方案,可以将3D-IC的最大热应力降低13%,并且几乎不影响微通道中的流动和传热特性。另外,本文提出的设计方案在1.5倍超频下依然可以满足3D-IC的热管理要求。最后,基于上述研究,本文进一步研究处理器芯片Core区域的规格和布置方式对3D-IC层间微通道换热特性和热稳定性的影响。同时分析了对于具有3层以上的DRAM的3D-IC,在顶部区域的层间结构中使用微通道冷却的必要性和利用热传导特性来实现有效热管理的可行性。研究结果表明,在芯片总功耗一定的情况下,3D-IC中底部处理器的Core区域参数对3D-IC最高温度的影响较小,但是芯片Core区域的功耗占比、面积占比和数量对底部芯片的温度分布的均匀性和整体结构的热稳定性有着明显的影响。总之,若Core区域参数的变化使得芯片底面热流密度越均匀,则温度分布均匀性越好;同理若使得出口位置处芯片温度越低,则最大热应力越小。此外,研究结果还表明,对于具有多层DRAM的3D-IC结构,在超频工作的条件下,依然可以利用热传导效应将顶部DRAM区域的温度控制在50℃以下。