几十年以来，电子系统一直朝着高性能、小型化、低成本、低功耗和多功能的趋势发展。为满足这一发展需求，三维集成逐渐成为满足应用需求的关键技术。在三维集成系统或三维芯片中，硅通孔（Through Silicon Via, TSV）是其核心技术，它能够为堆叠芯片实现短的垂直互连。本论文针对三维集成中的硅通孔互连技术从高速信号完整性、硅通孔电气建模与硅通孔MOS电容效应几个方面展开深入的研究。本文主要研究工作可以概括为：一、对TSV集成技术和工艺技术进行了学习和调研，在此基础上，建立TSV互连通道的三维全波仿真模型，对其结构和材料参数进行详细的频域仿真分析，对比研究各项参数对其传输特性的影响规律，得出具有实用价值的设计指导意见。二、在对串扰机理深入研究的基础上，针对TSV互连之间的串扰问题分为以下几方面进行了深入细致的研究：1）在频域仿真的基础上，利用SPICE仿真工具从时域角度更为直观地评估TSV结构和材料配置对串扰的影响；2）分析多攻击线对串扰噪声的影响；3）仿真研究不同TSV阵列布局对TSV之间串扰的影响，并为抑制串扰提供技术参考。三、针对后通孔工艺制作的带微凸块地-信号-地硅通孔互连通道，基于物理结构的RLGC解析公式，对通道的各个部位建立参数可调的等效电路模型。该等效电路模型中的每个元件都代表着明确的物理意义。此外，结合三维场求解工具对该TSV互连通道模型的仿真结果，验证该等效电路模型在0.1-20GHz宽频带内的准确性和可伸缩性。四、针对TSV的MOS电容效应进行了深入的理论研究和仿真分析。基于耗尽层完全耗尽的近似分析，得出TSV内外表面耗尽层的半径和电容的计算公式，对比研究TSV各项参数对TSV电容的影响。基于详实的研究数据，最后初步总结可用于信号传输网络、电源配送网络和变容器的TSV设计指南。