创新性实验教学在先进电子封装课程中的探索

贾 强，王乙舒，郭 福

（北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）

引言

创新是引领发展的第一动力，对一个国家至关重要。习近平总书记在党的二十大报告中指出：“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位。”［1］将创新融入现代化建设的各个方面、各个环节，为全面建成社会主义现代化强国、实现第二个百年奋斗目标增添强劲动力。2014年，李克强在夏季达沃斯论坛上提出“大众创业、万众创新”［2］的口号，“双创”一词一度成为2018年度经济类十大流行语。在当前严峻复杂的国际形势下，我国正遭受欧美国家的科技封锁，在一些关键核心技术和装备上正在面对“卡脖子”考验，因此，近年来我国对科技创新的重视和投入程度与日俱增。在新形势下，党和国家对高校的人才培养工作也提出了新的要求。2005年，教育部印发的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》明确指出：“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力。”［3］目前，高校教育普遍存在科技创新教育供给侧模式单一的问题［4］，过度依赖传统的课堂教学模式，因此，如何打破单一的课堂教学模式，探索优化更好的创新型人才培养模式成为新的挑战。

功率半导体电子器件被广泛应用于新能源汽车、高铁、航空航天、高压输电等领域，为各行各业的能源和动力系统提供保障。近年来，随着各相关产业和技术的不断进步，功率半导体电子器件朝着高功率、高频率、耐高温和高集成度的方向发展［5］。由于传统的硅基半导体逐渐无法满足与日俱增的应用需求，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体的应用迫在眉睫。目前，大力发展第三代宽禁带功率半导体产业已经被写入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》［6］，相关产业方向也产生了巨大的技术和人才缺口。其中，封装技术的跟进对于半导体产业的发展至关重要，同时，先进电子封装也是焊接技术与工程专业的一个重要教学方向。笔者以第三代半导体功率电子器件的产业应用为背景，依托北京工业大学先进电子封装方向的科研平台和资源，开设“功率电子封装与可靠性”创新性实验课程，对创新型人才培养教学方法进行了探索与实践。

通过设计创新性实验教学环节，主要期望达到以下四个教学目标：（1）掌握专业知识技能：让学生了解产业背景，学习和掌握实际生产过程中功率电子器件的封装及测试全过程；（2）培养解决问题能力：在实践过程中培养学生专业知识综合运用的能力，以及分析、解决实际问题的能力和高阶思维能力；（3）训练项目管理能力：通过创新实验的形式分组立项，培养学生的项目管理能力和团队协作精神；（4）培养科研创新思维：引导学生发现问题、提出问题、解决问题，使学生具有科研思维方法和创新精神。

一、联系产业背景，开展思想政治教育

“功率电子封装与可靠性”是一门与产学研紧密联系的课程，其知识内容既涉及学术界前沿的科学研究，又涉及目前兴起的产业应用，能够让学生了解产业发展现状，并激发学生对于专业领域的学习兴趣，大大加深学生对本课程的理解，帮助学生在后续的课程中更好地掌握知识和技能。在设计教学环节时，可以考虑在课程初始阶段以概论课的形式向学生全面详细地介绍产业背景。产业背景讲解应当从多角度、多维度开展，例如，从历史发展的角度，通过一些生动有趣的历史故事，向学生讲解行业的由来和发展历程；从经济数据的角度，通过一些机构的行业研究报告获取数据，向学生阐述该产业的产值规模、发展趋势，说明行业的应用前景。当介绍功率电子器件在汽车等领域的应用时，可以找到已经实际应用的器件实物向学生进行展示和讲解，让学生有更加感性的认识。联系产业背景进行教授，有助于学生了解第三代半导体产业现状和需求，开阔思路，扩大眼界。

对于理工类专业课程来说，思政教育是必不可少的教学要求［7-9］，这对帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观和职业观有着十分重要的作用。联系产业背景开展思政教育能够帮助学生从宏观的角度理解自己的专业以及所学知识技能的社会价值，引导学生正确思考未来的职业选择和职业规划，激发学生的学习热情。例如，在讲解功率电子器件的产业现状时，可以从“中国制造2025”出发，先介绍我国制造业在世界产业分工中总体处于中低端水平的产业现状，再介绍国家推动制造业由大变强的决心和意志，继而引出功率半导体产业在整个制造产业链中的重要地位，并重点介绍功率半导体产业升级在新形势下的发展潜力和机遇，让学生明白学好专业知识和技能不仅能够为今后的深造及就业打下坚实的基础，还能为实现中华民族伟大复兴做出贡献。

教师可以在讲解产业背景的过程中穿插思政教育，以显隐结合的方式进行爱国主义教育，提升学生的社会责任感。例如，在讲解先进封装材料时，可以对国内外产业发展现状进行剖析，向学生介绍其中的“卡脖子”问题。以纳米银材料为例，银的原材料约为4元/克，国外企业将银制备成纳米银焊膏，售价可达140元/克，其极高的附加值来源于工艺保密和专利保护，而国产的纳米银焊膏仍存在工艺不成熟、知识产权隐患等问题，还需要努力打破技术壁垒。通过对上述现状和问题的剖析，让学生感受到自己的使命感和责任感。

二、结合学科前沿，夯实理论基础

“功率电子封装与可靠性”是一门以实验课为主的专业课程，其课程内容侧重于实践，但扎实的理论基础也是必不可少的，能够极大地帮助学生在实践过程中获得更为深刻的认知和理解。先进电子封装涉及材料科学、机械工程、电力电子等学科交叉，学习相关理论能够帮助学生融会贯通各学科知识。例如，功率电子封装中的关键技术——贴片互连技术，涉及纳米尺寸效应、固相扩散理论、粉末冶金方法等材料学知识；而可靠性测试中需要对封装器件的循环热应力载荷进行计算，这就需要学生掌握和运用有限元方法等机械工程知识。

在讲授理论课的过程中，首先要借助整个课程的知识框架体系，帮助学生理解“功率电子封装与可靠性”课程的基本逻辑。理论课的主要内容包括先进封装结构、先进封装材料和可靠性测试三个板块。由于“功率电子封装与可靠性”课程为创新性实验课程，课程内容以实验为主，因此，每个板块的讲授内容应紧密围绕实验部分进行，不宜过多过杂。通过这三个板块内容的讲解，让学生对功率半导体封装技术有一个系统性的掌握，为后续实验课的开展打下基础。

在理论课教学中，教师所用的课本大多是经典教材，要求学生掌握的知识点也大多是经典理论，这些知识理论很多都来自几十年前甚至上百年前，例如，“工程材料”课程中最重要的知识点“铁碳相图”起源于100多年前［10］。经典知识理论的学习固然重要，但是对于创新性实验课来说，与时俱进更为重要。因此，教师不仅要讲解传统经典的理论知识，更要结合学科前沿技术理论，使学生不仅可以学习到产业界正在应用的技术，也能了解到未来十年乃至几十年有潜力应用的下一代新技术，帮助学生开阔学术视野，为毕业设计和进一步科研深造打下基础。例如，在讲授先进封装材料板块时，应紧扣最重要的贴片互连技术进行，除了重点讲解钎料回流焊技术、导电胶固化技术和瞬时液相扩散焊技术等传统贴片互连技术以外，也要向学生介绍学术界前沿的纳米金属烧结技术［11］；在讲授先进封装结构时，除了讲解经典的引线结构以外，还要介绍更为前沿的无引线封装结构，甚至是更为先进的双面封装结构［12］。另外，在讲授过程中，可以列举近年来学术界发表的一些重要学术成果，并讲解这些成果可能会对今后的技术发展带来的影响，引导学生主动思考。

三、理论结合实际，重视基础实验教学

在理论课的基础上开展实验教学，并将实验教学分为两个部分：基础实验教学和创新性实验。基础实验部分旨在培养学生的基本实验操作技能和方法，提高学生的实际操作能力。基础实验教学可以设计为以下9个实验：印刷实验、烘干实验、贴片实验、回流/烧结实验、剪切力测试、无损检测、引线键合、热阻测试、功率循环测试，这些实验基本涵盖了功率半导体器件封装检测的全流程。在基础实验教学过程中，学生能够掌握印刷机、贴片机、烧结/回流设备、引线键合机等常用封装设备，剪切力测试设备、C-SAM超声波扫描仪、热阻测试仪、功率循环测试仪等常用可靠性测试设备，以及扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪等常用材料分析设备的使用方法，学会功率半导体封装和测试的基本工艺方法及技术。

基础实验教学应在教师指导下由学生独立完成。在每个实验环节开始前，由教师对实验的相关技术细节和实验要求进行简要介绍，使每名学生能够明确实验任务和要求，根据课程计划完成实验任务，并在完成每个实验后撰写相应的实验报告，以保证实验教学质量。在实验过程中，教师需要引导学生独立思考、深入钻研、主动提问、合作探究，反对“照猫画虎式”的实验过程，同时要在学生实验出现问题时适时指导，以确保实验课程高质量地开展，让学生在实验思想、实验方法和实验技能等方面得到良好的训练。

四、开展创新性实验，培养思维方法

创新性实验部分是整个课程的核心部分。不同于基础实验教学中以教师指导为主的教学方式，创新性实验部分应以学生为中心，教师发挥牵引作用，充分发挥学生的主观能动性和创造力。创新性实验部分以理论教学和基础实验教学为基础，旨在综合培养学生理论与实践相结合的思维方式，训练学生运用材料加工、材料表征、电工电子等先修课程相关知识解决实际科学和工程问题的综合能力，锻炼学生的团队协作能力，培养学生的科研思维方法和创新精神。

创新性实验以小组协作的形式开展，根据班级的规模将学生分为3～6 个小组，要求每个小组在查阅文献资料后，从创新性实验库中选择一个创新性实验课题或自拟课题，选题示例如下：（1）回流工艺对连接接头力学性能、导热性能和可靠性的影响；（2）技术评测：钎料回流焊技术与纳米金属烧结技术；（3）烧结银封装器件在不同结温下的失效分析。在选定题目后，须明确选题背景，确定实验目标，制订实验方案和计划，并撰写开题报告，开题报告经教授审阅之后即可开展实验。整个实验过程将持续数周，在这个过程中，教师需要定期与小组交流实验进度以及所遇到的困难，有针对性地进行指导，并引导学生进行深入思考。期末，教师组织各小组对创新实验的成果进行汇报，开展最终答辩，分享在实验过程中遇到的困难、解决过程及感悟，并完成实验报告。从选题到完成实验，再到最后的答辩，整个过程几乎由学生独立完成，这将极大地培养学生的创新精神和创新能力。

结语

本文以“功率电子封装与可靠性”课程为例，对创新性实验课程的教学方法进行了探索，并提出了具体教学建议。教师应联系产业背景进行思想政治教育；结合学科前沿对学生进行理论教学；重视基础实验教学，并以此为基础分组开展创新性实验。创新性实验教学发挥了学生的主观能动性，能够很好地培养学生的科研思维方法和创新精神，为创新型人才培养方法提供了一种新思路。