集成電路產(chǎn)業(yè)電子材料復(fù)合人才培養(yǎng)探索與實踐

盧向軍 張勇 謝安

［摘 要］ 由于師資力量和教學(xué)條件的限制，目前電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程等專業(yè)的人才培養(yǎng)以集成電路設(shè)計為主，使得集成電路制造和封裝人才匱乏。圍繞“集成電路制造”和“集成電路封裝”兩個核心教學(xué)內(nèi)容，提出了“材料+集成電路制造+集成電路封裝”的知識結(jié)構(gòu)模塊，建立了電子材料復(fù)合型人才所需的新課程體系和知識結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容以實現(xiàn)“寬”與“?！钡慕y(tǒng)一，構(gòu)建了四模塊實驗/實踐教學(xué)體系，實現(xiàn)了材料科學(xué)和集成電路不同學(xué)科間知識的相互融合。

［關(guān)鍵詞］ 集成電路；電子材料；復(fù)合人才；電子封裝

［基金項目］ 2020年度福建省教育廳新工科研究與實踐項目“基于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”（XGK202005）；2021年度福建省教育廳教研教改項目“面向地方集成電路產(chǎn)業(yè)的電子材料復(fù)合型人才培養(yǎng)的探索與實踐”（FBJG20210092）

［作者簡介］ 盧向軍（1982—），男，湖南臨武人，工學(xué)博士，廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院電子封裝技術(shù)系主任，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事集成電路先進(jìn)封裝技術(shù)研究；張 勇（1974—），男，湖北天門人，工學(xué)博士，廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事納米材料的制備及其應(yīng)用研究；謝 安（1980—），男，廣東梅州人，工學(xué)博士，廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院科研處副處長，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電材料與器件研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）27-0037-04［收稿日期］ 2022-09-15

引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今社會發(fā)展、科技進(jìn)步的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平在極大程度上決定了一個國家或地區(qū)電子信息產(chǎn)業(yè)，乃至其他所有產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度。由于復(fù)雜的國際形勢，為盡快解決集成電路“卡脖子”問題，實現(xiàn)核心技術(shù)自主可控，構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局，我國將集成電路產(chǎn)業(yè)作為重點發(fā)展方向［1］。福建省特別是廈門市依據(jù)與臺灣的特殊區(qū)位優(yōu)勢，提出建成國內(nèi)領(lǐng)先的集成電路產(chǎn)業(yè)基地。隨著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，集成電路行業(yè)人才需求缺口迅速擴(kuò)大。雖然國內(nèi)各高校普遍設(shè)有電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程及集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)集成電路人才，但由于師資力量和教學(xué)條件的限制，目前高校相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)以集成電路設(shè)計為主，使得各地集成電路制造和封裝人才匱乏［2］。由于涉及設(shè)計、制造、封裝、測試和材料各個方向，集成電路制造和封裝領(lǐng)域需要具有開闊視野和知識面廣的人才，這使得人才需求結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致目前高校集成電路本科人才培養(yǎng)目標(biāo)模糊、專業(yè)核心結(jié)構(gòu)不明確，滿足不了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)需求［3］。

如何創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，增強(qiáng)工程教育適應(yīng)性，努力建設(shè)高水平的集成電路人才培養(yǎng)體系，解決集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)人才缺乏問題，成為高校教育發(fā)展的重要內(nèi)容［4］。圍繞“國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要”等國家戰(zhàn)略需求，“福建集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃1.0版”及廈門市集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)人才需求，秉持為產(chǎn)業(yè)服務(wù)的辦學(xué)理念，建立了“產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、寬專相濟(jì)、多元實踐”的電子材料復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，以滿足集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)復(fù)合型人才需求，獲得了包含教學(xué)質(zhì)量工程、科研和人才獎勵在內(nèi)的20余項省市支持，得到了產(chǎn)業(yè)界和教育同行的高度認(rèn)可。

一、集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)人才需求調(diào)研

在電子封裝技術(shù)專業(yè)發(fā)展初期，依據(jù)《廈門市光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《廈門半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化基地發(fā)展規(guī)劃》，為服務(wù)廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)及周邊地區(qū)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中引入了大量的光電材料與器件相關(guān)的專業(yè)課程，對集成電路制造和封裝相關(guān)課程不夠重視，僅介紹一些基本概念并忽視了實踐過程［5］。鑒于國家和地方對集成電路制造與封裝人才緊缺的問題，我院組織舉辦了全國第五屆電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)研討會，研討地方高校電子封裝技術(shù)專業(yè)如何對接國家戰(zhàn)略需求和地方集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，怎樣建立符合集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新課程體系與知識結(jié)構(gòu)。同時，針對福建省特別是廈門市集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)合型人才需求，調(diào)研了廈門優(yōu)迅高速芯片、廈門星宸科技等集成電路設(shè)計企業(yè)，聯(lián)芯、三安半導(dǎo)體和晉華存儲器等集成電路制造企業(yè)，士蘭微電子、通富微電子、云天半導(dǎo)體和金柏半導(dǎo)體等集成電路封裝企業(yè)，瀚天天成科技、廈門及時雨等集成電路材料企業(yè)，廈門集成電路設(shè)計公共服務(wù)平臺、廈門大學(xué)國家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺和國家集成電路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等集成電路公共服務(wù)平臺，提出了“集成電路制造”和“集成電路封裝”兩大核心教學(xué)內(nèi)容，明確了企業(yè)人才需求和專業(yè)新的發(fā)展方向。我院成立了由產(chǎn)業(yè)界專家、校友代表及外校專家學(xué)者組成的外部咨詢委員會。外部咨詢委員會對專業(yè)的發(fā)展定位、培養(yǎng)目標(biāo)的制定等予以指導(dǎo)，對課程建設(shè)、教學(xué)改革及教學(xué)評估等工作進(jìn)行評議。

二、建立符合電子材料復(fù)合型人才所需的新課程體系和知識結(jié)構(gòu)

使學(xué)生既掌握材料科學(xué)與工程，又掌握集成電路制造和封裝的知識，龐大的理論體系與課時少的矛盾十分尖銳，對材料科學(xué)與工程和集成電路等不同一級學(xué)科進(jìn)行融合與取舍是建立符合集成電路產(chǎn)業(yè)電子材料復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵。圍繞“集成電路制造”和“集成電路封裝”兩個核心教學(xué)內(nèi)容，制訂了“材料+集成電路制造+集成電路封裝”的知識結(jié)構(gòu)模塊培養(yǎng)方案。在現(xiàn)有課程培養(yǎng)體系中減少了高分子材料、材料成型原理等材料加工類和LED照明技術(shù)，以及LED照明設(shè)計與施工、LED材料技術(shù)等光電類課程，新增“模擬電子技術(shù)”“集成電路封裝技術(shù)”“集成電路封裝硅通孔技術(shù)”“集成電路封裝工藝設(shè)備”和“集成電路工藝設(shè)計”等課程，以滿足企業(yè)對掌握系統(tǒng)級封裝、硅通孔技術(shù)、2.5D封裝和3D封裝等先進(jìn)集成電路制造及封裝技術(shù)人才的需要，實現(xiàn)了在材料科學(xué)和集成電路兩方面能融會貫通的綜合型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

三、提煉集成電路產(chǎn)業(yè)相關(guān)材料基礎(chǔ)知識，實現(xiàn)人才“寬基礎(chǔ)”

材料貫穿集成電路晶圓制造、芯片制造和封裝工藝的整個過程。在集成電路芯片制造、封裝和組裝過程中，晶體管、電容、二極管和天線的納米化與集成化，必然會涉及界面反應(yīng)、電遷移和枝晶生長等問題［6］。多種微納結(jié)構(gòu)之間的相互作用貫穿在材料選擇、工藝設(shè)計、可靠性預(yù)測、失效機(jī)制分析、抗沖擊和防污染等一系列環(huán)節(jié)中，每一環(huán)節(jié)都離不開材料組織演化這一核心問題。而目前大多數(shù)的集成電路專業(yè)人員缺乏材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識，在工藝參數(shù)設(shè)計和制造過程中，往往忽視材料性能對器件的影響，而一味地在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能方面找問題。材料科學(xué)與工程學(xué)院利用電子封裝技術(shù)專業(yè)的優(yōu)勢，以材料的“組成—結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)系為主線，提煉集成電路用半導(dǎo)體、高分子、金屬與無機(jī)非金屬材料的共性知識（價鍵、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、非晶結(jié)構(gòu)、組織和形態(tài)）與性能（力學(xué)和物理）的共性理論和測試方法，著重培養(yǎng)學(xué)生利用物理學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識，加深學(xué)生對襯底材料（包括硅和鍺等第一代半導(dǎo)體材料、砷化鎵和磷化銦等第二代半導(dǎo)體材料、氮化鎵和碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料）、工藝材料（包括光刻膠、掩膜版、電子氣體、拋光材料、靶材等）以及封裝材料（包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、塑封料、黏結(jié)材料、底部填充料、液體密封劑、貼片材料、焊球、晶圓級封裝電介質(zhì)等）等集成電路材料性能的宏觀認(rèn)知，逐步讓學(xué)生識材料、懂材料、會選材，具備設(shè)定合理集成電路制造、封裝工藝路線、發(fā)展新型電子材料的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)“一代產(chǎn)業(yè)，一代材料，一代人才”的人才建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)人才培養(yǎng)的“寬基礎(chǔ)”。

四、基于專業(yè)特色和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)“寬”與“?！钡慕y(tǒng)一

專業(yè)的教改實踐不僅體現(xiàn)在培養(yǎng)方案的制訂上，更落實到每門課程的具體教學(xué)內(nèi)容上。在現(xiàn)有的電子封裝技術(shù)專業(yè)課程中，如“微連接原理”“半導(dǎo)體工藝技術(shù)”“封裝熱管理”“電子封裝可靠性”和“有限元仿真技術(shù)”等課程中強(qiáng)化集成電路相關(guān)內(nèi)容［7］，培養(yǎng)學(xué)生掌握集成電路制造和封裝的工藝原理、工藝流程以及實踐操作的能力，熟悉集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中半導(dǎo)體芯片制造和封裝方向的核心內(nèi)容，同時注重課程與應(yīng)用領(lǐng)域間的聯(lián)系，在課程講授過程中適當(dāng)加入集成電路制造技術(shù)及封裝的應(yīng)用熱點，使學(xué)生了解所學(xué)課程內(nèi)容在該領(lǐng)域中的應(yīng)用、研究熱點及發(fā)展前景。

集成電路制造和封裝技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新快，如何利用有限的學(xué)時使學(xué)生掌握系統(tǒng)級封裝、硅通孔技術(shù)、晶圓級封裝和三維集成等先進(jìn)集成電路制造及封裝技術(shù)，是培養(yǎng)滿足集成電路制造和封裝產(chǎn)業(yè)人才要求的難點。以集成電路產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵“四要素”（材料—制造—封裝—測試）為指導(dǎo)，整合“半導(dǎo)體物理”“半導(dǎo)體工藝技術(shù)”“集成電路工藝設(shè)計”和“模擬電子技術(shù)”等課程中雙極性、P溝道場效應(yīng)管、N溝道場效應(yīng)管和互補(bǔ)金屬氧化物等器件中的功耗、工作電壓、阻抗、電容、邏輯電平、工作頻率等相關(guān)電性能知識，“微系統(tǒng)封裝基礎(chǔ)”“集成電路封裝技術(shù)”“電子封裝可靠性”和“模擬電子技術(shù)”等專業(yè)課中直流、交流和靜態(tài)電源電流等相關(guān)電性能知識，深化對“材料—制備/封裝電性能”關(guān)系的認(rèn)識，為“專方向”發(fā)展打基礎(chǔ)。

五、通過“四模塊”實驗/實踐教學(xué)，實現(xiàn)“四層次”能力培養(yǎng)

基于集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵“四要素”（材料—制造—封裝—測試），構(gòu)建以材料共性基礎(chǔ)實驗（包括材料性能檢測實驗、材料結(jié)構(gòu)與成分分析實驗、金屬材料熱處理及材料力學(xué)性能等）、集成電路制造與封裝實踐（晶圓切割、熱氧化、化學(xué)氣相淀積、電鍍、濺射等）、器件設(shè)計與性能評價（雙極性和MOS型集成電路的設(shè)計、封裝基板電路設(shè)計和封裝熱管理設(shè)計等）、電子材料交叉（靜電可靠性、可焊性和塑封器件開封等）創(chuàng)新實踐為基礎(chǔ)的“四模塊”實驗/實踐教學(xué)，實現(xiàn)以基本技能（掌握集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中材料、制造、封裝和測試基礎(chǔ)知識）、工程能力（具備集成電路制造和封裝的分析、設(shè)計和應(yīng)用能力）、綜合能力（材料和基礎(chǔ)電路融會貫通）、創(chuàng)新能力（創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能）為基礎(chǔ)的“四層次”能力培養(yǎng)，提升學(xué)生的動手能力、知識交叉能力和創(chuàng)新能力?！八哪K”實驗/實踐教學(xué)既保證了人才培養(yǎng)的基本要求，又體現(xiàn)了學(xué)科專業(yè)差異和個性化需求，該模式具有縱向分層次、橫向多模塊的特點，能與大學(xué)生科技競賽、創(chuàng)新性實驗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目以及多層次的校企聯(lián)合培養(yǎng)模式有機(jī)結(jié)合，有力支撐“產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、寬專相濟(jì)、多元實踐”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

六、產(chǎn)教融合育人

鑒于集成電路工藝和器件封裝類課程實驗建設(shè)花費高昂，尤其是半導(dǎo)體工藝設(shè)備還需要持續(xù)的耗材和維護(hù)費用，如光刻膠、顯影液和靶材等耗材昂貴，學(xué)校無力承建。同時，光刻機(jī)、顯影機(jī)、離子注入機(jī)、化學(xué)氣相沉積、深硅刻蝕機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨機(jī)和原子層沉積等設(shè)備操作復(fù)雜，往往只能由專業(yè)人員操作和演示，這些困難導(dǎo)致在知識結(jié)構(gòu)中占重要比重的工藝和器件封裝課程難以系統(tǒng)開展實驗。作為地方性院校的重要專業(yè)，主動加強(qiáng)與集成電路相關(guān)企業(yè)的合作，共同制定培養(yǎng)目標(biāo)，共同設(shè)計課程，共建教學(xué)團(tuán)隊，共同承擔(dān)科研項目和共建實習(xí)實踐實訓(xùn)平臺。與國家集成電路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、廈門集成電路設(shè)計公共服務(wù)平臺、通富微電子股份有限公司和廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司等企事業(yè)簽訂人才培養(yǎng)協(xié)議，搭建基于龍頭企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、公共服務(wù)中心和校內(nèi)教學(xué)科研實驗室的多元實踐平臺，既解決了產(chǎn)業(yè)實際情況，又解決了產(chǎn)教分離的問題。除材料共性基礎(chǔ)實驗和部分電子材料交叉創(chuàng)新實踐在校內(nèi)實訓(xùn)平臺進(jìn)行外，集成電路制造與封裝實踐、器件設(shè)計與性能評價相關(guān)實訓(xùn)和實踐在集成電路制造與封裝測試的實體機(jī)構(gòu)進(jìn)行，使得學(xué)生畢業(yè)后能快速適應(yīng)工作崗位，以此突出地方高校集成電路人才培養(yǎng)的優(yōu)勢。如在廈門大學(xué)國家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺進(jìn)行集成電路工藝和封裝生產(chǎn)實習(xí)，使學(xué)生掌握雙極性和MOS型集成電路的設(shè)計與工藝流程，了解集成電路對環(huán)境、清洗、電鍍及靶材等化學(xué)試劑的要求。在廈門集成電路設(shè)計公共服務(wù)平臺進(jìn)行集成電路失效分析和可靠性評價，在廈門云天半導(dǎo)體科技有限公司進(jìn)行濾波器晶圓級三維封裝、高頻毫米波芯片集成和無源器件制造與封測等方面的畢業(yè)設(shè)計。

七、建設(shè)跨學(xué)科的人才培養(yǎng)團(tuán)隊

我院近年陸續(xù)引進(jìn)具有電子信息、機(jī)械工程、微電子、物理和材料等背景的6名國內(nèi)外知名大學(xué)博士，組建具有電子、物理、材料、機(jī)械及微電子等多學(xué)科背景的師資隊伍，并與集成電路制造和封裝企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作、教師工程實踐培訓(xùn)、合辦課程和頂崗學(xué)習(xí)等一體化聯(lián)動，整合產(chǎn)業(yè)資源為科教服務(wù)，以構(gòu)建跨學(xué)科、多能力教學(xué)團(tuán)隊。完善教師傳幫帶機(jī)制，加強(qiáng)教師在崗培養(yǎng)鍛煉，實施中青年教師跨學(xué)科課程進(jìn)修與社會實踐，整體提升教師隊伍的教學(xué)能力和教學(xué)水平，提高專業(yè)教師的綜合知識水平。鼓勵教師到集成電路企業(yè)開展合作科研，進(jìn)行實踐技能培訓(xùn)，增強(qiáng)教師的工程實踐能力，解決了培養(yǎng)團(tuán)隊學(xué)科單一、知識體系和知識結(jié)構(gòu)不完善、對其他學(xué)科知識掌握較少的問題，建設(shè)了一支跨學(xué)科的“雙師型”人才培養(yǎng)團(tuán)隊。

結(jié)語

圍繞“中國制造2025”與“國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要”等國家戰(zhàn)略需求和地方集成電路產(chǎn)業(yè)跨學(xué)科人才緊缺的現(xiàn)狀，基于應(yīng)用型本科高校的定位，提出了“產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、寬專相濟(jì)、多元實踐”的電子材料復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，通過重構(gòu)專業(yè)課程體系、優(yōu)化課程內(nèi)容、模塊化實踐教學(xué)、產(chǎn)學(xué)研融合育人、組建跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊及構(gòu)建多元實踐平臺等，實現(xiàn)了在材料科學(xué)和集成電路兩方面能融會貫通的綜合型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

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Exploration and Practice on the Cultivation of Composite Talents of Electronic Materials in Integrated Circuit Industry

LU Xiang-jun， ZHANG Yong， XIE An

（School of Material Science and Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen， Fujian 361024， China）

Abstract： Due to the limitations of teachers and teaching conditions， the current talent training of electronic science and technology， and microelectronics science and engineering focuses on integrated circuit design， which leads to the shortage of integrated circuit manufacturing and packaging talents. Surrounding the core of teaching content of integrated circuit manufacturing and packaging， “material， integrated circuit manufacturing and integrated circuit packaging” modules of knowledge structure are put forward， and the new curriculum system and knowledge structure required by the interdisciplinary talents of electronic materials are established. The teaching content is optimized to realize the unity of “wide” and “specialized”， and the experimental/practical teaching system of four modules is constructed， realizing the mutual integration of knowledge between different disciplines of materials science and integrated circuits.

Key words： integrated circuit; electronic materials; composite talent; electronic packaging