集成電路產業電子材料復合人才培養探索與實踐

盧向軍 張勇 謝安

［摘 要］ 由于師資力量和教學條件的限制，目前電子科學與技術、微電子科學與工程等專業的人才培養以集成電路設計為主，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”兩個核心教學內容，提出了“材料+集成電路制造+集成電路封裝”的知識結構模塊，建立了電子材料復合型人才所需的新課程體系和知識結構，優化了教學內容以實現“寬”與“專”的統一，構建了四模塊實驗/實踐教學體系，實現了材料科學和集成電路不同學科間知識的相互融合。

［關鍵詞］ 集成電路；電子材料；復合人才；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“基于集成電路產業發展的電子封裝技術專業教學內容和課程體系改革”（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業的電子材料復合型人才培養的探索與實踐”（FBJG20210092）

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

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

引言

集成電路產業是當今社會發展、科技進步的基礎性產業，其發展水平在極大程度上決定了一個國家或地區電子信息產業，乃至其他所有產業的發展高度。由于復雜的國際形勢，為盡快解決集成電路“卡脖子”問題，實現核心技術自主可控，構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局，我國將集成電路產業作為重點發展方向［1］。福建省特別是廈門市依據與臺灣的特殊區位優勢，提出建成國內領先的集成電路產業基地。隨著我國集成電路產業的蓬勃發展，集成電路行業人才需求缺口迅速擴大。雖然國內各高校普遍設有電子科學與技術、微電子科學與工程及集成電路設計與集成系統等相關專業培養集成電路人才，但由于師資力量和教學條件的限制，目前高校相關專業的人才培養以集成電路設計為主，使得各地集成電路制造和封裝人才匱乏［2］。由于涉及設計、制造、封裝、測試和材料各個方向，集成電路制造和封裝領域需要具有開闊視野和知識面廣的人才，這使得人才需求結構復雜，導致目前高校集成電路本科人才培養目標模糊、專業核心結構不明確，滿足不了當前產業需求［3］。

如何創新人才培養模式，增強工程教育適應性，努力建設高水平的集成電路人才培養體系，解決集成電路制造和封裝產業人才缺乏問題，成為高校教育發展的重要內容［4］。圍繞“國家集成電路產業發展推進綱要”等國家戰略需求，“福建集成電路產業發展行動計劃1.0版”及廈門市集成電路制造和封裝產業人才需求，秉持為產業服務的辦學理念，建立了“產業導向、寬專相濟、多元實踐”的電子材料復合型人才培養模式，以滿足集成電路制造和封裝產業復合型人才需求，獲得了包含教學質量工程、科研和人才獎勵在內的20余項省市支持，得到了產業界和教育同行的高度認可。

一、集成電路制造和封裝產業人才需求調研

在電子封裝技術專業發展初期，依據《廈門市光電子產業發展規劃》和《廈門半導體照明產業化基地發展規劃》，為服務廈門經濟特區及周邊地區光電產業發展，在專業人才培養方案中引入了大量的光電材料與器件相關的專業課程，對集成電路制造和封裝相關課程不夠重視，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專業教學研討會，研討地方高校電子封裝技術專業如何對接國家戰略需求和地方集成電路產業規劃，怎樣建立符合集成電路制造和封裝產業發展的新課程體系與知識結構。同時，針對福建省特別是廈門市集成電路產業復合型人才需求，調研了廈門優迅高速芯片、廈門星宸科技等集成電路設計企業，聯芯、三安半導體和晉華存儲器等集成電路制造企業，士蘭微電子、通富微電子、云天半導體和金柏半導體等集成電路封裝企業，瀚天天成科技、廈門及時雨等集成電路材料企業，廈門集成電路設計公共服務平臺、廈門大學國家集成電路產教融合創新平臺和國家集成電路產品質量監督檢驗中心等集成電路公共服務平臺，提出了“集成電路制造”和“集成電路封裝”兩大核心教學內容，明確了企業人才需求和專業新的發展方向。我院成立了由產業界專家、校友代表及外校專家學者組成的外部咨詢委員會。外部咨詢委員會對專業的發展定位、培養目標的制定等予以指導，對課程建設、教學改革及教學評估等工作進行評議。

二、建立符合電子材料復合型人才所需的新課程體系和知識結構

使學生既掌握材料科學與工程，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，對材料科學與工程和集成電路等不同一級學科進行融合與取舍是建立符合集成電路產業電子材料復合型人才培養體系的關鍵。圍繞“集成電路制造”和“集成電路封裝”兩個核心教學內容，制訂了“材料+集成電路制造+集成電路封裝”的知識結構模塊培養方案。在現有課程培養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，以及LED照明設計與施工、LED材料技術等光電類課程，新增“模擬電子技術”“集成電路封裝技術”“集成電路封裝硅通孔技術”“集成電路封裝工藝設備”和“集成電路工藝設計”等課程，以滿足企業對掌握系統級封裝、硅通孔技術、2.5D封裝和3D封裝等先進集成電路制造及封裝技術人才的需要，實現了在材料科學和集成電路兩方面能融會貫通的綜合型、復合型人才的培養目標。

三、提煉集成電路產業相關材料基礎知識，實現人才“寬基礎”

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、電遷移和枝晶生長等問題［6］。多種微納結構之間的相互作用貫穿在材料選擇、工藝設計、可靠性預測、失效機制分析、抗沖擊和防污染等一系列環節中，每一環節都離不開材料組織演化這一核心問題。而目前大多數的集成電路專業人員缺乏材料科學的基礎知識，在工藝參數設計和制造過程中，往往忽視材料性能對器件的影響，而一味地在產品結構設計和性能方面找問題。材料科學與工程學院利用電子封裝技術專業的優勢，以材料的“組成—結構—性能”關系為主線，提煉集成電路用半導體、高分子、金屬與無機非金屬材料的共性知識（價鍵、分子結構、晶體結構、非晶結構、組織和形態）與性能（力學和物理）的共性理論和測試方法，著重培養學生利用物理學和材料科學的基礎知識，加深學生對襯底材料（包括硅和鍺等第一代半導體材料、砷化鎵和磷化銦等第二代半導體材料、氮化鎵和碳化硅等第三代半導體材料）、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、晶圓級封裝電介質等）等集成電路材料性能的宏觀認知，逐步讓學生識材料、懂材料、會選材，具備設定合理集成電路制造、封裝工藝路線、發展新型電子材料的應用能力和創新能力，實現“一代產業，一代材料，一代人才”的人才建設目標，實現人才培養的“寬基礎”。

四、基于專業特色和產業發展，優化教學內容，實現“寬”與“專”的統一

專業的教改實踐不僅體現在培養方案的制訂上，更落實到每門課程的具體教學內容上。在現有的電子封裝技術專業課程中，如“微連接原理”“半導體工藝技術”“封裝熱管理”“電子封裝可靠性”和“有限元仿真技術”等課程中強化集成電路相關內容［7］，培養學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，熟悉集成電路產業鏈中半導體芯片制造和封裝方向的核心內容，同時注重課程與應用領域間的聯系，在課程講授過程中適當加入集成電路制造技術及封裝的應用熱點，使學生了解所學課程內容在該領域中的應用、研究熱點及發展前景。

集成電路制造和封裝技術發展迅速，技術更新快，如何利用有限的學時使學生掌握系統級封裝、硅通孔技術、晶圓級封裝和三維集成等先進集成電路制造及封裝技術，是培養滿足集成電路制造和封裝產業人才要求的難點。以集成電路產業鏈關鍵“四要素”（材料—制造—封裝—測試）為指導，整合“半導體物理”“半導體工藝技術”“集成電路工藝設計”和“模擬電子技術”等課程中雙極性、P溝道場效應管、N溝道場效應管和互補金屬氧化物等器件中的功耗、工作電壓、阻抗、電容、邏輯電平、工作頻率等相關電性能知識，“微系統封裝基礎”“集成電路封裝技術”“電子封裝可靠性”和“模擬電子技術”等專業課中直流、交流和靜態電源電流等相關電性能知識，深化對“材料—制備/封裝電性能”關系的認識，為“專方向”發展打基礎。

五、通過“四模塊”實驗/實踐教學，實現“四層次”能力培養

基于集成電路產業關鍵“四要素”（材料—制造—封裝—測試），構建以材料共性基礎實驗（包括材料性能檢測實驗、材料結構與成分分析實驗、金屬材料熱處理及材料力學性能等）、集成電路制造與封裝實踐（晶圓切割、熱氧化、化學氣相淀積、電鍍、濺射等）、器件設計與性能評價（雙極性和MOS型集成電路的設計、封裝基板電路設計和封裝熱管理設計等）、電子材料交叉（靜電可靠性、可焊性和塑封器件開封等）創新實踐為基礎的“四模塊”實驗/實踐教學，實現以基本技能（掌握集成電路產業鏈中材料、制造、封裝和測試基礎知識）、工程能力（具備集成電路制造和封裝的分析、設計和應用能力）、綜合能力（材料和基礎電路融會貫通）、創新能力（創新意識、創新思維和創新技能）為基礎的“四層次”能力培養，提升學生的動手能力、知識交叉能力和創新能力。“四模塊”實驗/實踐教學既保證了人才培養的基本要求，又體現了學科專業差異和個性化需求，該模式具有縱向分層次、橫向多模塊的特點，能與大學生科技競賽、創新性實驗、創新創業訓練項目以及多層次的校企聯合培養模式有機結合，有力支撐“產業導向、寬專相濟、多元實踐”的人才培養目標。

六、產教融合育人

鑒于集成電路工藝和器件封裝類課程實驗建設花費高昂，尤其是半導體工藝設備還需要持續的耗材和維護費用，如光刻膠、顯影液和靶材等耗材昂貴，學校無力承建。同時，光刻機、顯影機、離子注入機、化學氣相沉積、深硅刻蝕機、化學機械研磨機和原子層沉積等設備操作復雜，往往只能由專業人員操作和演示，這些困難導致在知識結構中占重要比重的工藝和器件封裝課程難以系統開展實驗。作為地方性院校的重要專業，主動加強與集成電路相關企業的合作，共同制定培養目標，共同設計課程，共建教學團隊，共同承擔科研項目和共建實習實踐實訓平臺。與國家集成電路產品質量監督檢驗中心、廈門集成電路設計公共服務平臺、通富微電子股份有限公司和廈門云天半導體科技有限公司等企事業簽訂人才培養協議，搭建基于龍頭企業、行業協會、公共服務中心和校內教學科研實驗室的多元實踐平臺，既解決了產業實際情況，又解決了產教分離的問題。除材料共性基礎實驗和部分電子材料交叉創新實踐在校內實訓平臺進行外，集成電路制造與封裝實踐、器件設計與性能評價相關實訓和實踐在集成電路制造與封裝測試的實體機構進行，使得學生畢業后能快速適應工作崗位，以此突出地方高校集成電路人才培養的優勢。如在廈門大學國家集成電路產教融合創新平臺進行集成電路工藝和封裝生產實習，使學生掌握雙極性和MOS型集成電路的設計與工藝流程，了解集成電路對環境、清洗、電鍍及靶材等化學試劑的要求。在廈門集成電路設計公共服務平臺進行集成電路失效分析和可靠性評價，在廈門云天半導體科技有限公司進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設計。

七、建設跨學科的人才培養團隊

我院近年陸續引進具有電子信息、機械工程、微電子、物理和材料等背景的6名國內外知名大學博士，組建具有電子、物理、材料、機械及微電子等多學科背景的師資隊伍，并與集成電路制造和封裝企業進行產學研合作、教師工程實踐培訓、合辦課程和頂崗學習等一體化聯動，整合產業資源為科教服務，以構建跨學科、多能力教學團隊。完善教師傳幫帶機制，加強教師在崗培養鍛煉，實施中青年教師跨學科課程進修與社會實踐，整體提升教師隊伍的教學能力和教學水平，提高專業教師的綜合知識水平。鼓勵教師到集成電路企業開展合作科研，進行實踐技能培訓，增強教師的工程實踐能力，解決了培養團隊學科單一、知識體系和知識結構不完善、對其他學科知識掌握較少的問題，建設了一支跨學科的“雙師型”人才培養團隊。

結語

圍繞“中國制造2025”與“國家集成電路產業發展推進綱要”等國家戰略需求和地方集成電路產業跨學科人才緊缺的現狀，基于應用型本科高校的定位，提出了“產業導向、寬專相濟、多元實踐”的電子材料復合型人才培養模式，通過重構專業課程體系、優化課程內容、模塊化實踐教學、產學研融合育人、組建跨學科教學團隊及構建多元實踐平臺等，實現了在材料科學和集成電路兩方面能融會貫通的綜合型、復合型人才的培養目標。

參考文獻

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［7］盧向軍，張勇.電子封裝可靠性課程教學改革探索與實踐［J］.教育教學論壇，2020（36）：181-182.

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