大功率LED（Light Emitting Diode LED）作为第四代照明光源，将逐步取代白炽灯、荧光灯、高压钠灯等光源。大功率LED封装产品质量与可靠性是影响其应用关键问题。硅通孔(Through Silicon Via TSV)三维封装技术是微电子封装领域的前沿技术，其相关工艺尚未完全成熟。同时，由于硅通孔中填充金属与硅基体之间存在巨大的热膨胀系数的失配，在工艺过程及工作时温度载荷的作用下，将经受热应力的作用，从而影响其性能及可靠性。因此，开展大功率LED封装与硅通孔三维封装的工艺优化与可靠性设计的研究具有重要意义。本文以大功率LED封装和硅通孔三维封装中的关键工艺和可靠性问题为研究对象，采用以数值模拟仿真为基础的虚拟设计、工艺及可靠性的方法，建立多物理场耦合仿真模型，并结合相关的材料性能测试、工艺试验、可靠性试验及失效分析，对大功率LED封装中热超声引线键合工艺、热冲击可靠性，以及硅通孔三维封装电化学镀铜工艺、热机械可靠性、电迁移可靠性进行研究。主要研究内容包括：（1）采用动态热机械分析仪测试大功率LED封装中关键材料硅胶的粘弹性能，基于广义麦克斯韦模型对测试数据进行拟合，获得硅胶粘弹性的六阶Prony方程参数。采用纳米压痕连续刚度法测试硅通孔中电镀铜柱的力学性能，其弹性模量平均值为116.8GPa，硬度平均值为1.7GPa。通过对纳米压痕压入过程的有限元仿真，获得其塑性性能。（2）通过对LED封装的铜线及金线热超声引线键合过程的模拟，获得其键合过程动态变形、应力应变及温度的演化过程。结果表明随着超声振动振幅、焊球与焊盘摩擦系数以及键合力的增大，焊盘上塑性应变随之增加，有利于键合的形成。但同时电极结构欧姆接触层的应力也随之增加，增加了裂纹、剥离等缺陷的产生与芯片破裂的可能性。同时，由于铜线硬度较金线大，需要更大的键合能量。铜线热超声引线键合过程中焊盘、焊盘下欧姆接触层及芯片将承受更大的应力应变。（3）通过热冲击环境可靠性试验对新型的应用导向型大功率LED封装模块进行可靠性验证。失效分析结果表明其灾难性失效样品的失效模式为断路失效。通过荧光渗透检测，发现在热冲击温度载荷作用下，大功率LED封装模块内部出现了分层缺陷。通过开封试验，发现互连金线在二焊点的根部出现断裂失效。对应用导向型大功率LED封装热冲击可靠性试验进行流-固耦合模拟仿真，结果表明在快速降温和升温阶段，模块内的温度梯度分别超过了79℃和100℃。温度梯度作用下金线等效塑性应变是等温条件下的2.1倍。界面分层缺陷导致了金线的二焊点在周期性疲劳载荷的作用下出现疲劳断裂失效。选用低弹性模量和低热膨胀系数的灌封硅胶有助于提高金线的热冲击可靠性。（4）通过电化学镀铜工艺仿真模型，分析硅通孔自底向上通孔电镀工艺过程，结果表明采用单面溅射及自底向上通孔电镀工艺，通孔内电镀铜层垂直于侧壁向上生长，可以避免空洞缺陷的产生。采用博世工艺DRIE工艺实现了深宽比为6：1的通孔刻蚀，采用热氧化工艺沉积SiO2绝缘层，采用溅射工艺制作Ti粘附阻挡层及Cu种子层，开展了自底向上通孔电镀工艺试验，实现了硅通孔无空洞缺陷铜导电金属的电镀填充。采用机械磨削及化学机械抛光工艺进行圆片减薄，成功将带有60um硅通孔结构的圆片减薄至50um。（5）通过硅通孔热机械模型计算其热应力及残余应力分布。通过拉曼光谱测试减薄到50um带有硅通孔的硅片衍射峰位的变化，获得硅片上的残余应力分布。结果表明随着硅通孔直径的增加，其受到的热应力随之增大。而硅片的厚度对其热应力的影响较小。当多个硅通孔排布时，因应力的叠加作用，导致热应力的上升，但随着间距的增大，其影响逐渐减弱。通过硅通孔三维芯片堆叠封装的热机械可靠性仿真，并结合试验设计的方法，分析了结构参数对其热机械可靠性的影响规律。结果表明中介层的厚度是影响焊点疲劳寿命最关键的结构参数。铜柱直径是影响铜柱疲劳寿命及Cu/SiO2界面可靠性最关键的结构参数。（6）通过多物理场耦合电迁移数值仿真模型，对硅通孔结构的电迁移可靠性进行分析，获得其电流密度、温度梯度以及应力梯度分布，进而计算其相对原子浓度分布。结果表明硅通孔结构电迁移失效位置出现在焊盘与铜柱连接的拐角处以及焊盘的边缘，其主要驱动力为应力梯度所导致的原子迁移。