集成电路产业电子材料复合人才培养探索与实践

［摘 要］ 由于师资力量和教学条件的限制，目前电子科学与技术、微电子科学与工程等专业的人才培养以集成电路设计为主，使得集成电路制造和封装人才匮乏。围绕“集成电路制造”和“集成电路封装”两个核心教学内容，提出了“材料+集成电路制造+集成电路封装”的知识结构模块，建立了电子材料复合型人才所需的新课程体系和知识结构，优化了教学内容以实现“宽”与“专”的统一，构建了四模块实验/实践教学体系，实现了材料科学和集成电路不同学科间知识的相互融合。

［关键词］ 集成电路；电子材料；复合人才；电子封装

［基金项目］ 2020年度福建省教育厅新工科研究与实践项目“基于集成电路产业发展的电子封装技术专业教学内容和课程体系改革”（XGK202005）；2021年度福建省教育厅教研教改项目“面向地方集成电路产业的电子材料复合型人才培养的探索与实践”（FBJG20210092）

［作者简介］ 卢向军（1982—），男，湖南临武人，工学博士，厦门理工学院材料科学与工程学院电子封装技术系主任，教授，硕士生导师，主要从事集成电路先进封装技术研究；张 勇（1974—），男，湖北天门人，工学博士，厦门理工学院材料科学与工程学院副院长，副教授，硕士生导师，主要从事纳米材料的制备及其应用研究；谢 安（1980—），男，广东梅州人，工学博士，厦门理工学院材料科学与工程学院科研处副处长，教授，博士生导师，主要从事光电材料与器件研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）27-0037-04 ［收稿日期］ 2022-09-15

引言

集成电路产业是当今社会发展、科技进步的基础性产业，其发展水平在极大程度上决定了一个国家或地区电子信息产业，乃至其他所有产业的发展高度。由于复杂的国际形势，为尽快解决集成电路“卡脖子”问题，实现核心技术自主可控，构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，我国将集成电路产业作为重点发展方向［1］。福建省特别是厦门市依据与台湾的特殊区位优势，提出建成国内领先的集成电路产业基地。随着我国集成电路产业的蓬勃发展，集成电路行业人才需求缺口迅速扩大。虽然国内各高校普遍设有电子科学与技术、微电子科学与工程及集成电路设计与集成系统等相关专业培养集成电路人才，但由于师资力量和教学条件的限制，目前高校相关专业的人才培养以集成电路设计为主，使得各地集成电路制造和封装人才匮乏［2］。由于涉及设计、制造、封装、测试和材料各个方向，集成电路制造和封装领域需要具有开阔视野和知识面广的人才，这使得人才需求结构复杂，导致目前高校集成电路本科人才培养目标模糊、专业核心结构不明确，满足不了当前产业需求［3］。

如何创新人才培养模式，增强工程教育适应性，努力建设高水平的集成电路人才培养体系，解决集成电路制造和封装产业人才缺乏问题，成为高校教育发展的重要内容［4］。围绕“国家集成电路产业发展推进纲要”等国家战略需求，“福建集成电路产业发展行动计划1.0版”及厦门市集成电路制造和封装产业人才需求，秉持为产业服务的办学理念，建立了“产业导向、宽专相济、多元实践”的电子材料复合型人才培养模式，以满足集成电路制造和封装产业复合型人才需求，获得了包含教学质量工程、科研和人才奖励在内的20余项省市支持，得到了产业界和教育同行的高度认可。

一、集成电路制造和封装产业人才需求调研

在电子封装技术专业发展初期，依据《厦门市光电子产业发展规划》和《厦门半导体照明产业化基地发展规划》，为服务厦门经济特区及周边地区光电产业发展，在专业人才培养方案中引入了大量的光电材料与器件相关的专业课程，对集成电路制造和封装相关课程不够重视，仅介绍一些基本概念并忽视了实践过程［5］。鉴于国家和地方对集成电路制造与封装人才紧缺的问题，我院组织举办了全国第五届电子封装技术专业教学研讨会，研讨地方高校电子封装技术专业如何对接国家战略需求和地方集成电路产业规划，怎样建立符合集成电路制造和封装产业发展的新课程体系与知识结构。同时，针对福建省特别是厦门市集成电路产业复合型人才需求，调研了厦门优迅高速芯片、厦门星宸科技等集成电路设计企业，联芯、三安半导体和晋华存储器等集成电路制造企业，士兰微电子、通富微电子、云天半导体和金柏半导体等集成电路封装企业，瀚天天成科技、厦门及时雨等集成电路材料企业，厦门集成电路设计公共服务平台、厦门大学国家集成电路产教融合创新平台和国家集成电路产品质量监督检验中心等集成电路公共服务平台，提出了“集成电路制造”和“集成电路封装”两大核心教学内容，明确了企业人才需求和专业新的发展方向。我院成立了由产业界专家、校友代表及外校专家学者组成的外部咨询委员会。外部咨询委员会对专业的发展定位、培养目标的制定等予以指导，对课程建设、教学改革及教学评估等工作进行评议。

二、建立符合电子材料复合型人才所需的新课程体系和知识结构

使学生既掌握材料科学与工程，又掌握集成电路制造和封装的知识，庞大的理论体系与课时少的矛盾十分尖锐，对材料科学与工程和集成电路等不同一级学科进行融合与取舍是建立符合集成电路产业电子材料复合型人才培养体系的关键。围绕“集成电路制造”和“集成电路封装”两个核心教学内容，制订了“材料+集成电路制造+集成电路封装”的知识结构模块培养方案。在现有课程培养体系中减少了高分子材料、材料成型原理等材料加工类和LED照明技术，以及LED照明设计与施工、LED材料技术等光电类课程，新增“模拟电子技术”“集成电路封装技术”“集成电路封装硅通孔技术”“集成电路封装工艺设备”和“集成电路工艺设计”等课程，以满足企业对掌握系统级封装、硅通孔技术、2.5D封装和3D封装等先进集成电路制造及封装技术人才的需要，实现了在材料科学和集成电路两方面能融会贯通的综合型、复合型人才的培养目标。

三、提炼集成电路产业相关材料基础知识，实现人才“宽基础”

材料贯穿集成电路晶圆制造、芯片制造和封装工艺的整个过程。在集成电路芯片制造、封装和组装过程中，晶体管、电容、二极管和天线的纳米化与集成化，必然会涉及界面反应、电迁移和枝晶生长等问题［6］。多种微纳结构之间的相互作用贯穿在材料选择、工艺设计、可靠性预测、失效机制分析、抗冲击和防污染等一系列环节中，每一环节都离不开材料组织演化这一核心问题。而目前大多数的集成电路专业人员缺乏材料科学的基础知识，在工艺参数设计和制造过程中，往往忽视材料性能对器件的影响，而一味地在产品结构设计和性能方面找问题。材料科学与工程学院利用电子封装技术专业的优势，以材料的“组成—结构—性能”关系为主线，提炼集成电路用半导体、高分子、金属与无机非金属材料的共性知识（价键、分子结构、晶体结构、非晶结构、组织和形态）与性能（力学和物理）的共性理论和测试方法，着重培养学生利用物理学和材料科学的基础知识，加深学生对衬底材料（包括硅和锗等第一代半导体材料、砷化镓和磷化铟等第二代半导体材料、氮化镓和碳化硅等第三代半导体材料）、工艺材料（包括光刻胶、掩膜版、电子气体、抛光材料、靶材等）以及封装材料（包括封装基板、引线框架、键合丝、塑封料、黏结材料、底部填充料、液体密封剂、贴片材料、焊球、晶圆级封装电介质等）等集成电路材料性能的宏观认知，逐步让学生识材料、懂材料、会选材，具备设定合理集成电路制造、封装工艺路线、发展新型电子材料的应用能力和创新能力，实现“一代产业，一代材料，一代人才”的人才建设目标，实现人才培养的“宽基础”。

四、基于专业特色和产业发展，优化教学内容，实现“宽”与“专”的统一

专业的教改实践不仅体现在培养方案的制订上，更落实到每门课程的具体教学内容上。在现有的电子封装技术专业课程中，如“微连接原理”“半导体工艺技术”“封装热管理”“电子封装可靠性”和“有限元仿真技术”等课程中强化集成电路相关内容［7］，培养学生掌握集成电路制造和封装的工艺原理、工艺流程以及实践操作的能力，熟悉集成电路产业链中半导体芯片制造和封装方向的核心内容，同时注重课程与应用领域间的联系，在课程讲授过程中适当加入集成电路制造技术及封装的应用热点，使学生了解所学课程内容在该领域中的应用、研究热点及发展前景。

集成电路制造和封装技术发展迅速，技术更新快，如何利用有限的学时使学生掌握系统级封装、硅通孔技术、晶圆级封装和三维集成等先进集成电路制造及封装技术，是培养满足集成电路制造和封装产业人才要求的难点。以集成电路产业链关键“四要素”（材料—制造—封装—测试）为指导，整合“半导体物理”“半导体工艺技术”“集成电路工艺设计”和“模拟电子技术”等课程中双极性、P沟道场效应管、N沟道场效应管和互补金属氧化物等器件中的功耗、工作电压、阻抗、电容、逻辑电平、工作频率等相关电性能知识，“微系统封装基础”“集成电路封装技术”“电子封装可靠性”和“模拟电子技术”等专业课中直流、交流和静态电源电流等相关电性能知识，深化对“材料—制备/封装电性能”关系的认识，为“专方向”发展打基础。

五、通过“四模块”实验/实践教学，实现“四层次”能力培养

基于集成电路产业关键“四要素”（材料—制造—封装—测试），构建以材料共性基础实验（包括材料性能检测实验、材料结构与成分分析实验、金属材料热处理及材料力学性能等）、集成电路制造与封装实践（晶圆切割、热氧化、化学气相淀积、电镀、溅射等）、器件设计与性能评价（双极性和MOS型集成电路的设计、封装基板电路设计和封装热管理设计等）、电子材料交叉（静电可靠性、可焊性和塑封器件开封等）创新实践为基础的“四模块”实验/实践教学，实现以基本技能（掌握集成电路产业链中材料、制造、封装和测试基础知识）、工程能力（具备集成电路制造和封装的分析、设计和应用能力）、综合能力（材料和基础电路融会贯通）、创新能力（创新意识、创新思维和创新技能）为基础的“四层次”能力培养，提升学生的动手能力、知识交叉能力和创新能力。“四模块”实验/实践教学既保证了人才培养的基本要求，又体现了学科专业差异和个性化需求，该模式具有纵向分层次、横向多模块的特点，能与大学生科技竞赛、创新性实验、创新创业训练项目以及多层次的校企联合培养模式有机结合，有力支撑“产业导向、宽专相济、多元实践”的人才培养目标。

六、产教融合育人

鉴于集成电路工艺和器件封装类课程实验建设花费高昂，尤其是半导体工艺设备还需要持续的耗材和维护费用，如光刻胶、显影液和靶材等耗材昂贵，学校无力承建。同时，光刻机、显影机、离子注入机、化学气相沉积、深硅刻蚀机、化学机械研磨机和原子层沉积等设备操作复杂，往往只能由专业人员操作和演示，这些困难导致在知识结构中占重要比重的工艺和器件封装课程难以系统开展实验。作为地方性院校的重要专业，主动加强与集成电路相关企业的合作，共同制定培养目标，共同设计课程，共建教学团队，共同承担科研项目和共建实习实践实训平台。与国家集成电路产品质量监督检验中心、厦门集成电路设计公共服务平台、通富微电子股份有限公司和厦门云天半导体科技有限公司等企事业签订人才培养协议，搭建基于龙头企业、行业协会、公共服务中心和校内教学科研实验室的多元实践平台，既解决了产业实际情况，又解决了产教分离的问题。除材料共性基础实验和部分电子材料交叉创新实践在校内实训平台进行外，集成电路制造与封装实践、器件设计与性能评价相关实训和实践在集成电路制造与封装测试的实体机构进行，使得学生毕业后能快速适应工作岗位，以此突出地方高校集成电路人才培养的优势。如在厦门大学国家集成电路产教融合创新平台进行集成电路工艺和封装生产实习，使学生掌握双极性和MOS型集成电路的设计与工艺流程，了解集成电路对环境、清洗、电镀及靶材等化学试剂的要求。在厦门集成电路设计公共服务平台进行集成电路失效分析和可靠性评价，在厦门云天半导体科技有限公司进行滤波器晶圆级三维封装、高频毫米波芯片集成和无源器件制造与封测等方面的毕业设计。