電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐

張 亮，郭永環(huán)，何成文

（1.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.美國加州大學(xué) 洛杉磯分校 材料科學(xué)與工程系，美國洛杉磯CA90095）

電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐

張 亮1，2，郭永環(huán)1，何成文1

（1.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.美國加州大學(xué) 洛杉磯分校 材料科學(xué)與工程系，美國洛杉磯CA90095）

隨著電子產(chǎn)品微型化的發(fā)展，電子封裝技術(shù)成為電子工業(yè)中的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。與之相匹配的人才的教育與培養(yǎng)成為該領(lǐng)域的重要研究課題。探討國內(nèi)在電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)本專業(yè)應(yīng)該從前沿封裝技術(shù)、實(shí)際廣泛應(yīng)用的封裝技術(shù)、以及與之關(guān)系密切的制造技術(shù)三方面培養(yǎng)專業(yè)性人才，使學(xué)生能夠?qū)δ壳肮I(yè)中封裝技術(shù)的應(yīng)用有著較為全面的認(rèn)識和扎實(shí)的基礎(chǔ)。

制造技術(shù)；教學(xué)改革；封裝技術(shù)

0 前言

隨著便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的制造技術(shù)也日新月異，其中封裝技術(shù)扮演著非常重要的角色。由于芯片集成化的快速發(fā)展，封裝技術(shù)也因此成為制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。

目前，學(xué)校培養(yǎng)的電子封裝專業(yè)的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)多是焊接技術(shù)、金屬材料以及工程力學(xué)等。為了適用工業(yè)的發(fā)展需求，國內(nèi)很多單位開始培養(yǎng)電子封裝技術(shù)的專業(yè)人才，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)主要是從焊接專業(yè)學(xué)生開始培養(yǎng)電子封裝的知識，學(xué)生學(xué)習(xí)更多的是無鉛焊點(diǎn)、無鉛釬料、金絲鍵合、回流焊接等，主要還是局限于裝聯(lián)的層面上。桂林電子工業(yè)大學(xué)的電子封裝培養(yǎng)的學(xué)生主要是針對球柵陣列焊點(diǎn)可靠性的表面組裝。而浙江工業(yè)大學(xué)的電子封裝主要是從力學(xué)角度分析器件在一定載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變，最終的疲勞可靠性的研究仍落在焊點(diǎn)上。而電子封裝遠(yuǎn)非局限這些，還包含電-磁-熱、晶圓-器件-制程、樹脂-金屬-玻璃等，但是由于學(xué)校研究設(shè)備的不足，也很難進(jìn)行全方位專業(yè)教學(xué)，很難讓學(xué)生對電子封裝有比較直接和感觀上的認(rèn)識。

為了使學(xué)生能夠較為深入地了解和認(rèn)識電子封裝專業(yè)，并且掌握專業(yè)的知識，能夠良好地運(yùn)用于電子工業(yè)，電子封裝專業(yè)需要進(jìn)行深入的專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐。在此主要是從前沿封裝技術(shù)、實(shí)際廣泛應(yīng)用的封裝技術(shù)、以及與之關(guān)系密切的制造技術(shù)三方面介紹專業(yè)性人才的培養(yǎng)。

1 前沿封裝技術(shù)

工業(yè)中關(guān)于電子封裝較為新興的材料與技術(shù)學(xué)校很難獲得參觀的機(jī)會，主要是因?yàn)槠髽I(yè)保密的緣故，因此也給學(xué)校教學(xué)帶來較大的困難。在電子工業(yè)中，由于電子產(chǎn)品的小型化和多功能化的發(fā)展，迫使微小的芯片完成巨大的功能。因此芯片也逐漸從2D封裝向3D封裝轉(zhuǎn)變[3]。3D封裝目前已經(jīng)在Intel和IBM等單位進(jìn)行研究并且已經(jīng)在電子工業(yè)中使用。圖1為典型的3D封裝結(jié)構(gòu)。因此需要進(jìn)行電子封裝專業(yè)教學(xué)的老師可以對3D封裝進(jìn)行知識的搜尋、探討和教學(xué)。對該部分的教學(xué)，由于屬于最新的工業(yè)成果，很難給學(xué)生比較直觀的認(rèn)識，可以采用制作小型動(dòng)畫和示意圖的方式讓學(xué)生有比較直觀的認(rèn)識，同時(shí)教學(xué)生自己動(dòng)手做一些這方面的模擬設(shè)計(jì)，即采用工業(yè)設(shè)計(jì)中的CAD、UG等軟件進(jìn)行模擬，然后制成3D封裝卡片或者示意動(dòng)畫，加深學(xué)生對該部分內(nèi)容的深入了解，只有這樣才能讓學(xué)生對該領(lǐng)域有較為顯著的認(rèn)識。

圖1 典型的3D封裝結(jié)構(gòu)

對于封裝技術(shù)的前沿知識，應(yīng)該需要專業(yè)性較好、并且習(xí)慣于探索新型技術(shù)的教師來擔(dān)任教學(xué)。因?yàn)樗阉餍滦图夹g(shù)和設(shè)計(jì)前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)方法需要花費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)也需要對電子工業(yè)教學(xué)具有濃厚的興趣。同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生對前沿知識的興趣，可以從大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)開始，選擇一些前沿封裝技術(shù)，通過老師和學(xué)生的通力合作，提出自己的想法。還可以結(jié)合一些具有一定實(shí)力的企業(yè)進(jìn)行合作，共同進(jìn)行前沿封裝技術(shù)的探討。讓學(xué)生在實(shí)踐中理論結(jié)合實(shí)際，發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性。

前沿電子封裝技術(shù)對于在校學(xué)習(xí)的學(xué)生來說具有較高的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)閷W(xué)生如果在該領(lǐng)域具有較深入的認(rèn)識和了解，進(jìn)入企業(yè)以后就可以直接從事一些比較前沿的封裝技術(shù)。而非像現(xiàn)在大多數(shù)的畢業(yè)生進(jìn)入企業(yè)對一些前沿的技術(shù)一無所知，出現(xiàn)對新型技術(shù)縮手縮腳的現(xiàn)象。因此，在培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)候，前沿封裝技術(shù)對學(xué)生的未來職業(yè)生涯有著巨大的影響。

2 電子封裝技術(shù)的基礎(chǔ)知識

封裝技術(shù)隨著時(shí)間的發(fā)展也有巨大的變化，如圖2[4]所示。電子器件逐漸由插裝器件向四邊器件以及表面組裝器件方向發(fā)展。盡管芯片的尺寸越來越小，但是工廠比較實(shí)用的還是一些最基礎(chǔ)的工藝。打開電腦主機(jī)會發(fā)現(xiàn)插裝器件在一塊電路板上仍然占據(jù)著較高的百分比，而表面組裝器件例如BGA也只有為數(shù)較少的幾塊。因此，在電子封裝技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中，電子封裝專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識仍然是教學(xué)的重點(diǎn)。

圖2 30年以來功率半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)的發(fā)展

為了更為有效的進(jìn)行專業(yè)教學(xué)，可以從以下幾個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)：（1）培養(yǎng)學(xué)生的興趣。學(xué)生的興趣可以讓學(xué)生更輕松有效地進(jìn)行專業(yè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)。因?yàn)橐话愎た普n程對于學(xué)生來說枯燥乏味，以至于很多工科生在自己畢業(yè)時(shí)，對專業(yè)技術(shù)知識知道之甚少，進(jìn)入企業(yè)時(shí)更是“一片茫然”。培養(yǎng)學(xué)生的興趣可以從計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)和工業(yè)案例開始。在教學(xué)的過程中讓學(xué)生做一些工業(yè)上的計(jì)算機(jī)模擬，計(jì)算機(jī)模擬目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域[5-6]，把模擬結(jié)果做成小動(dòng)畫，可以讓學(xué)生有比較直觀的了解。工業(yè)案例也是培養(yǎng)學(xué)生興趣、加深學(xué)生記憶較好的方法，實(shí)際的案例的影響力遠(yuǎn)比照本宣科更有影響力。（2）大學(xué)生進(jìn)入老師的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一些試驗(yàn)。通過老師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入自己的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一些專業(yè)性的試驗(yàn)，一方面進(jìn)行試驗(yàn)，一方面給予一些講解。在試驗(yàn)的過程中對專業(yè)知識有實(shí)踐中的印證，對于學(xué)生試驗(yàn)，不應(yīng)該是大批量的學(xué)生同時(shí)試驗(yàn)，因?yàn)榇笈康膶W(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，很難做到人人動(dòng)手。分小批量的學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，讓學(xué)生從試驗(yàn)設(shè)計(jì)到試驗(yàn)現(xiàn)象以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有機(jī)的進(jìn)行組合分析，加深書本知識的了解。（3）小規(guī)模企業(yè)實(shí)習(xí)。企業(yè)實(shí)習(xí)對于工科學(xué)生非常重要，而現(xiàn)在國內(nèi)高校在這方面做的明顯不足，每年約有3周的企業(yè)實(shí)習(xí)，其實(shí)就是帶領(lǐng)學(xué)生到固定的企業(yè)進(jìn)行參觀，很難讓學(xué)生自己動(dòng)手，因此最后的學(xué)生的收效甚微。電子封裝類的企業(yè)很多，通過學(xué)校、學(xué)院或者老師聯(lián)系一些企業(yè)，送小批量的學(xué)生進(jìn)行真實(shí)意義上的企業(yè)實(shí)習(xí)，到企業(yè)一線了解一些實(shí)際的工藝。

同時(shí)在專業(yè)性的教學(xué)中，老師準(zhǔn)備一些“工業(yè)標(biāo)本”，即為一些基本電子封裝器件的剖面樣品，讓學(xué)生能更直觀的了解電子封裝器件的各部分組成，同時(shí)也更為有利于老師的講解。

3 電子封裝技術(shù)與之相關(guān)的制造技術(shù)

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子封裝技術(shù)獲得長足的發(fā)展，電子封裝技術(shù)的發(fā)展很多也得益于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，例如激光技術(shù)、焊接技術(shù)、可靠性、新材料合成、測試技術(shù)、封裝設(shè)備等。新型制造技術(shù)的革新可以為電子封裝技術(shù)領(lǐng)域帶來新的進(jìn)步。

在高校開設(shè)的課程中，對于電子封裝技術(shù)專業(yè)，涉及到的學(xué)科基礎(chǔ)較多，因此在開設(shè)電子封裝專業(yè)的同時(shí)，需要開設(shè)很多相輔助的課程。如焊接技術(shù)，電子封裝中用到了很多關(guān)于軟釬焊技術(shù)的知識，為了進(jìn)一步提高焊點(diǎn)可靠性，以及對于一些具有形狀較為復(fù)雜形狀的器件，可以采用激光軟釬焊技術(shù)[7]，因此軟釬焊和激光技術(shù)的課程也成為電子封裝技術(shù)中較為重要的部分。

對于電子封裝還用到了很多的熱學(xué)、電磁學(xué)的知識，為了更好分析封裝結(jié)構(gòu)的可靠性，ANSYS、Marc等有限元軟件也得到廣泛應(yīng)用，圖3[8]為倒裝封裝芯片表面溫度分布，可以通過軟件分析封裝結(jié)構(gòu)中熱、電磁等。在電子器件封裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中CAD和UG軟件也是常用的軟件。計(jì)算機(jī)軟件的更新?lián)Q代也促進(jìn)了電子封裝技術(shù)在設(shè)計(jì)和可靠性方面獲得更為方便的應(yīng)用。

圖3 芯片表面的溫度分布

4 結(jié)論

電子封裝技術(shù)的日新月異也帶來了專業(yè)人才的大量需求，因此專業(yè)性人才的培養(yǎng)成為目前較為重要的任務(wù)。主要通過前沿封裝技術(shù)、封裝技術(shù)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)的制造技術(shù)三方面進(jìn)行分析探討電子封裝專業(yè)的教學(xué)改革與實(shí)踐，努力為國內(nèi)培養(yǎng)一流的電子封裝技術(shù)人才。

[1] Lee S W R，Zhang Z，Chen K，et al.Emerging trend for LED wafer level packaging[J].Frontiers of Optoelectronics，2012，5（2）：119-126.

[2]Benfield D，Lou E，Moussa W A.A packaging solution utilizing adhesive-filled TSVs and flip-chip methods[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2012，22（6）：065009.

[3] Tu K N，Hsiao H Y，Chen C.Transaction from flip chip solder joint to 3D IC microbump:its effect on microstructure anisotropy[J].MicroelectronicsReliability，2013，53（1）：2-6. [4]褚華斌，胡俊，陳素鵬.表面貼裝功率MOSFET封裝技術(shù)研究進(jìn)展[C].全國半導(dǎo)體器件技術(shù)研討會，2010.

[5]張亮，薛松柏，禹勝林，等.有限元模擬在微連接焊點(diǎn)可靠性研究中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2008，38（9）：13-21，72.

[6]張亮，郭永環(huán)，何成文，等.WLCSP器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬及無鉛焊點(diǎn)可靠性[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（7）：53-56.

[7]Marinov V R，Swenson O，Atanasov Y，et al.Laser-assisted ultrathin die packaging:insights from a process study[J]. Microelectronic Engineering，2013（101）：23-30.

[8] Lu X N，Shi T L，Xia Q，et al.Thermal conduction analysis and characterization of solder bumps in flip chip package[J]. Applied Thermal Engineering，2012（36）：181-187.

Teach innovation and practice of electronic packaging specialty

ZHANG Liang1，2，GUO Yonghuan1，HE Chengwen1
（1.School of Mechanical&Electrical Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116；2.Department of Materials Science and Engineering，University of California，Los Angeles CA90095）

With the development of electronic devices miniaturization，the electronic packaging technology has been become the critical manufacturing technology.And the related training and education of the professionals become the important task in the field. In order to discuss the teach innovation and practice of electronic packaging specialty，three aspects including frontier packaging technology，practice packaging technology used extensively，and the related manufacturing technology should be followed to educate the professional，which can make the students have comprehensive understand the application of the electronic packaging technology in industry and have solid foundation in this field.

manufacturing technology；teach innovation；packaging technology

TG40

：B

：1001-2303（2015）10-0047-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.10

2014-05-09；

：2015-01-20

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK201244)；江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12KJB460005）；江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助課題（JSAWS-11-03）

張 亮（1984—），男，副教授，導(dǎo)師，博士，主要從事釬焊材料、微電子封裝材料與技術(shù)、焊點(diǎn)可靠性的研究，發(fā)表論文40余篇。