在过去的几十年中,CMOS制造技术按照摩尔定律得到了很大的发展。然而,随着芯片功能的增强,二维芯片中包含的功能单元的增多,使得芯片中各器件之间连接的复杂度显著的增加,并需要多层连接层来实现它们的连接。制造工艺的发展并没有使得芯片在性能上有很大的提高,主要是受到互连线的约束。为了克服这个问题,提出了三维堆叠芯片。与二维芯片相比,三维芯片将多个器件层在垂直方向上进行堆叠,能够提供垂直方向上的互连,减少了全局互连线的数目,缩短了互连线直接的连接长度。虽然3D技术具有很多显著的优点,但是热问题使得它看起来没有这么好,主要是因为三维芯片存在着严重的散热问题,影响了芯片的性能和可靠性。因此,在实际的三维芯片的设计和应用中,要重点考虑芯片的发热和散热问题。三维芯片的热分析是当前研究的热点。本文提出了两种三维芯片的热模型,并分别针对这两种热分析模型提出了可以快速对三维芯片进行热分析的方法。对于规则热模型的分析方法为基于两重快速傅里叶变换(FFT)的三维芯片热仿真方法,该方法基于三维有限体积元法,利用嵌套的两重快速傅里叶变换对有限差分方程进行求解,从而得到芯片的温度分布。数值实验表明,该方法比稀疏矩阵直接求解方法快几十倍,并且由于占用内存少,能有效地求解变量数多达6×107的三维芯片热仿真问题。但是,该方法受三维芯片热模型的限制,只能用来分析三维芯片的规则热模型。对于非规则热模型的方法为基于区域分解方法(DDM)的快速三维芯片热分析方法。为了准确地对三维芯片进行热分析,不仅要考虑芯片本身,作为散热的主要通道,热传导层和散热片也应该被考虑进来。该方法利用区域分解方法将三维芯片分解成几个不同的子区域,对每个不同的子区域采用规则模型方法进行求解,这样就解决了前一种方法受热模型限制的缺点。另外本文还对三维芯片电热耦合方面进行了研究。