电子产品封装的可靠性决定着整个电子产品的可靠性，而且随着电子产品向着高I/O数、高密度的方向迅猛发展，对封装可靠性提出的要求更高，本文以电子封装的可靠性作为主要研究对象，研究了倒装芯片封装可靠性以及实现三维互连的关键技术——硅通孔（through silicon via, TSV）热机械可靠性设计。倒装芯片封装因其优异的高频性能和近乎理想的封装密度，获得了越来越多的关注，而且极有可能成为未来主流的封装模式之一。硅通孔是目前为止实现三维互连的最关键技术之一，其可靠性直接影响着整个三维封装产品的可靠性，对其结构参数进行优化设计可以为工艺加工提出指导，提高机械可靠性。本文基于有限元分析技术，主要研究内容如下：（1）分别研究了芯片与底充胶间沿水平和竖直两个方向的界面裂纹扩展行为，发现水平方向较竖直方向更易产生裂纹，而且当水平方向裂纹扩展一段距离之后，竖直方向的界面裂纹才可能开始萌生；对于芯片与底充胶间沿水平方向扩展的裂纹，研究了促使其扩展的驱动应力形式，分析表明，在裂纹萌生以及扩展较短距离阶段，剪切型应力起着主要的作用，但是当裂纹扩展较长一段距离后，张开型应力起着主要的作用。（2）分别研究了底充胶填充工艺所造成的缺陷以及芯片和底充胶间沿水平方向的界面裂纹对焊点寿命的影响，并对它们做了比较，研究结果表明，沿水平方向的界面裂纹对焊点寿命的影响更大，且一旦发生失稳扩展更容易造成整个封装结构的失效，对封装可靠性的影响更大。（3）研究了倒装芯片封装焊点的寿命预测，这包括无铅焊料本构模型的选择以及寿命预测模型的比较。结果表明，基于断裂参量和塑性应变的模型预测的寿命误差最大，基于蠕变的模型预测结果与实验结果最为接近，因此，蠕变是倒装芯片封装结构工作时的主要变形机制；而且，工作时焊点蠕变变形主要处在第二阶段，双曲正弦规律能较好拟合Sn-Ag-Cu焊料的蠕变变形机制。（4）对硅通孔三维芯片堆叠封装结构进行了热机械可靠性设计，提出了一种新型的硅通孔结构并与传统硅通孔结构的热机械可靠性做了比较。使用了正交设计实验和有限元仿真分析计算相结合的方法，研究了通孔间距、SiO2层、铜柱直径、芯片厚度、焊球直径和高分子保护胶的弹性模量等参数对TSV相关可靠性的影响，发现铜柱的直径和高分子保护胶的弹性模量对TSV可靠性的影响最大，且随着铜柱直径和保护胶弹性模量的增大，可靠性降低；新型硅通孔结构较之于传统硅通孔结构，其热机械可靠性明显提高。