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随着微电子技术的飞速发展,为了应对现代微电子器件高集成,小型化和高可靠性的封装要求,TSV(硅通孔,Through-Silicon Via,简称TSV)三维封装技术凭借其集成度高,低时延和低功耗等优良特点而受到广泛关注。与此同时,由于小孔径、高密度及高深宽比正逐渐成为TSV三维封装的主流发展趋势,极易造成其缺陷的频繁发生,而缺陷大多集中于晶圆和芯片内部,如果能掌握其缺陷的外在表现特征并加以识别,进而可以达到TSV三维封装内部缺陷检测的目的。本文主要以TSV内部缺陷响应机理研究为基础,采用理论分析,有限元仿真和试验结果验证相结合的方式,得到其缺陷下温度和应力的分布规律,识别和定位出相应的缺陷,通过掌握TSV内部缺陷的外在表现形式,从而可解决三维封装中内部缺陷难检测的问题。具体工作内容如下:首先,综合阐述了目前关于TSV缺陷检测的常见方法,结合TSV三维封装基本结构和工作方式,着重分析了TSV三维封装内部的热传导过程,建立了TSV三维封装内部热传导微分方程和热阻网络模型,并在此基础上做了应力应变分析,为后续的仿真和试验提供理论支撑。然后,针对填充缺失、含有缝隙和底部空洞三种典型的TSV内部缺陷,分别建立了有限元模型,并进行了热-电和热-结构耦合条件下的有限元分析。两种耦合场下的仿真结果表明:从整体上来看所有含缺陷的TSV均显示出了与正常结构明显不同的温度和应力分布。相比而言,在三种缺陷中,含有填充缺失的TSV显示出最明显的温度和应力分布及路径变化差异;其次为底部有空洞的TSV;而具有缝隙的TSV差异最小,并且还探究了TSV层指定路径上温度分布变化的规律。最后,设计并制备出了所需的TSV试验样品,并对样品进行了测量和试验系统的搭建。试验结果表明:(1)温度变化差异性最大的缺陷为填充缺失的TSV,其次为底部空洞的TSV,差异性最小的缺陷是含有缝隙的TSV。(2)对于填充缺失和底部空洞两种缺陷,随着TSV铜柱孔径的增加,其铜柱中心位置处温度均逐渐减小。由此可见,试验和仿真结果二者前后具有一致性。因此,TSV内部典型缺陷导致的外部温度和应力差异特征,能对TSV内部的缺陷进行识别,同时可为后续的TSV三维封装内部缺陷理论研究和检测提供指导。