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基于硅通孔（TSV）的三维集成电路是未来集成电路发展的主流技术之一，能有效降低集成电路的互连延时和功耗，是国际半导体技术蓝图（ITRS）近年来所关注的热点和前沿技术。基于此，本文以一种典型的信号-地TSV互连结构为研究对象，利用有限元仿真分析了信号-地TSV互连结构在电磁和随机振动条件下的可靠性，并对电磁和随机振动条件下信号-地TSV互连结构利用响应面分析得到的数学函数近似模型进行多学科全局灵敏度分析并设计优化。 首先，利用三维仿真软件构建信号-地TSV互连结构有限元模型，研究了TSV互连结构在电磁场下插入损耗（S21）值的变化。结果表明：TSV互连结构高度越高其传输性能差，TSV互连结构半径越大其传输性能越差，TSV的传输性能随着绝缘层厚度增大而改善，TSV模型插入损耗在整个频域范围内随着频率的增大而减小；通过Design-Expert软件对试验数据进行拟合建立了插入损耗值与TSV高度、TSV半径、绝缘层厚度和信号频率的响应面数学模型，确定了各因素对插入损耗值影响的强度，单因素对插入损耗值影响的强弱顺序为：绝缘层厚度＞TSV半径＞信号频率＞TSV高度，因素之间耦合对插入损耗值影响的强弱顺序为：绝缘层厚度与信号频率＞TSV高度与信号频率＞TSV半径与信号频率＞TSV半径与绝缘层厚度＞TSV高度与绝缘层厚度＞TSV高度与TSV半径。 其次，在电磁分析的几何模型基础上进行随机振动加载分析，研究了TSV互连结构在随机振动下的应力值的变化。结果表明：TSV互连结构在随机振动加载下内应力应变大小均不相同，最大应力应变点在凸起块和通孔连接处，越远离基板所受到的应力应变越小。由此可知在TSV通孔与凸起块的连接处可能最先产生裂痕，导致其失效。通过Design-Expert设计得到了最大等效应力与TSV高度、TSV半径和TSV绝缘层厚度的响应面数学模型。并通过响应面分析可知，影响TSV互连结构应力变化单因素的强弱顺序为：绝缘层厚度＞TSV半径＞TSV高度，因素之间耦合对TSV应力值影响的强弱顺序为TSV半径与绝缘层厚度＞TSV高度与绝缘层厚度＞TSV高度与TSV半径。 最后，将Sobol’全局灵敏度分析法应用到TSV互连结构多学科灵敏度分析中。为了提高设计的可靠性，基于TSV互连结构进行响应面-遗传算法的多学科优化。结果表明：在TSV互连结构电磁分析时，当TSV高度为175.11μm，TSV半径为5.06μm，绝缘层厚度为2.86μm，信号频率为2.51GHz时插入损耗最大值为-0.2156dB，TSV互连结构性能传输最优。在TSV互连结构振动分析时，当TSV高度为148.32μm，TSV半径为5.86μm，绝缘层厚度为4.69μm时应力变化最小值为731.54Pa，TSV互连结构可靠性最佳。