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由于3D芯片集成具有高传输速度和小封装尺寸的优点，作为其关键技术的硅通孔技术（Through Silicon Vias，简称TSV），已被广泛应用于微电子系统。而铜互连线是TSV技术中典型的互连线之一。本文首先建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子程序UMAT嵌入到ABAQUS中进行互连结构的热应力分析，之后基于所建立的本构模型，结合参数化有限元方法和试验设计方法对TSV结构进行优化研究。主要工作和结论如下：（1）研究了完全填充铜TSV和填充聚合物TSV结构在退火时的热应力分布情况。结果显示两种TSV结构可能出现失效区域均集中在铜互连顶部界面处，该处热应力超过铜的屈服强度。相比完全填充铜TSV结构，填充聚合物TSV结构更可能出现热失配导致的应力失效。（2）建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子程序UMAT嵌入到ABAQUS中进行互连结构的热应力分析。同时与理想弹塑性互连解析解进行了对比，结果显示二者轴向应力值较为接近，而解析解所得径向应力则小的多。在不同通孔半径和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应，即在互连尺寸接近亚微米时，热应力随着半径减小而急剧增加的现象。通孔半径对静水应力有显著的影响，互连半径小于10微米时，铜互连中心位置始终保持较大静水应力，因此在铜互连中心线区域可能出现空洞缺陷，与实验结果一致。深宽比对硅通孔结构热应力具有显著影响，随着深宽比的增加，应力集中区域发生变化，当深宽比大于10时，应力集中区域将由铜互连顶部界面区域迁移至中心线区域，同时热应力值也大幅度的增加。（3）基于参数化有限元模型对TSV互连结构进行了试验设计及单设计响应的优化。基于应变梯度的材料本征效应对TSV互连结构热力学性能有显著影响，在对互连结构设计时必须足够重视。对TSV互连结构进行优化的结果显示，在初始模型一致的情况下，不同的优化方法会得到不同的最优解，优化技术的选择对优化结果具有显著影响，同时也说明TSV结构优化具有多峰性特点，TSV互连结构设计空间较大。