《走進(jìn)“芯”世界》課程的探索與實(shí)踐

周煒，郭福，林健，漢晶，王乙舒，夏志東

(北京工業(yè)大學(xué)，北京)

芯片技術(shù)的發(fā)明，不僅改變了世界格局和大國(guó)之間的博弈，也改變了我們的日常生活方式。如果沒有芯片，就不會(huì)有手機(jī)、電腦、汽車、信息通訊、國(guó)際空間站等，人類已經(jīng)須臾離不開芯片了。芯片技術(shù)的迭代也為人類社會(huì)的進(jìn)步，生活的便利做出了巨大貢獻(xiàn)，掌握最先進(jìn)的芯片制造技術(shù)，也就意味著在電子信息技術(shù)占領(lǐng)最前沿。

但是，當(dāng)前國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)風(fēng)云變幻，去全球化風(fēng)潮抬頭，世界各國(guó)掌握著不同的先進(jìn)的芯片技術(shù)，其中美國(guó)具有較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)的缺“芯”現(xiàn)狀引起了廣大民眾對(duì)集成電路的關(guān)注。走在時(shí)代前沿的當(dāng)代大學(xué)生迫切希望了解中國(guó)要想擺脫現(xiàn)狀需要付出怎樣的努力，需要從哪些方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破[1-3]。大學(xué)公共選修課作為一種通識(shí)教育手段，在充分考慮學(xué)生興趣愛好和知識(shí)廣度的前提下開設(shè)，可以構(gòu)建針對(duì)全校不同專業(yè)學(xué)生的教育內(nèi)容，拓寬學(xué)生視野[4]。

《走進(jìn)“芯”世界》是北京工業(yè)大學(xué)材料制造學(xué)部為全校本科生開設(shè)的一門通識(shí)選修課，課程內(nèi)容涵蓋了芯片發(fā)展史、芯片制造工藝流程、芯片封裝測(cè)試、全球經(jīng)濟(jì)一體化背景下芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈情況、芯片在未來(lái)可能的發(fā)展方向以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。通過該課程的學(xué)習(xí)，以期使學(xué)生了解芯片制造技術(shù)是一門集化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)以及信息學(xué)等眾多學(xué)科于一身的工業(yè)制造技術(shù)，涉及到材料、工藝、軟件、設(shè)備等的研發(fā)；可以幫助學(xué)生理解工程技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系，初步建立科學(xué)技術(shù)研發(fā)對(duì)商業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的革新作用，對(duì)激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維具有重要地位和作用。

一 學(xué)情分析

首先針對(duì)學(xué)生選課結(jié)果分析學(xué)生特點(diǎn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1（a）所示。選課學(xué)生主要集中于大學(xué)二年級(jí)，是學(xué)生剛開始接觸自己所學(xué)專業(yè)課，初步探索并了解自己所學(xué)知識(shí)在未來(lái)的應(yīng)用方向，因此有必要在授課過程中結(jié)合課程內(nèi)容講述芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)以及我國(guó)在相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)狀；針對(duì)有一定專業(yè)知識(shí)背景的大三學(xué)生，講述行業(yè)相關(guān)知識(shí)來(lái)擴(kuò)充知識(shí)廣度同時(shí)可以為大四學(xué)生在未來(lái)發(fā)展方向提供參考。

圖1（b）是學(xué)生所學(xué)專業(yè)統(tǒng)計(jì)，可見學(xué)生專業(yè)知識(shí)復(fù)雜，最多的是自動(dòng)化專業(yè)。針對(duì)學(xué)生選課情況，有必要對(duì)學(xué)生選課目的進(jìn)行調(diào)研，在第一堂緒論課前準(zhǔn)備了三個(gè)問題，依次為：1.談?wù)勛约簩?duì)芯片的認(rèn)識(shí)；2.為什么選這門課程？3.通過這門課程想學(xué)到什么知識(shí)？根據(jù)學(xué)生回答情況，統(tǒng)計(jì)后又主要是以下幾種結(jié)果：①出于興趣愛好想了解芯片；②學(xué)習(xí)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理、制造流程及芯片研發(fā)過程；③了解手機(jī)芯片知識(shí)、光刻機(jī)；④芯片是如何工作、發(fā)揮作用、維持產(chǎn)品運(yùn)作；⑤了解芯片相關(guān)產(chǎn)業(yè)和公司現(xiàn)狀；⑥了解芯片行業(yè)的就業(yè)前景、前沿成果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以有針對(duì)性地對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，滿足學(xué)生知識(shí)獲取目的的同時(shí)使得教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)。

圖1 學(xué)生選課分析(a)年級(jí)分布，(b)專業(yè)分布

二 融入課程思政

在授課過程中，融入課程思政。孟子曰：“天下之本在國(guó)，國(guó)之本在家，家之本在身。”弘揚(yáng)家國(guó)情懷，有利于引導(dǎo)學(xué)生樹立以家國(guó)天下為重，以民族大義為念，把個(gè)人理想追求融入實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)的不懈奮斗中。教育部《完善中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育指導(dǎo)綱要》指出，突出強(qiáng)調(diào)大學(xué)生的個(gè)人修養(yǎng)、社會(huì)關(guān)愛、家國(guó)情懷使其具有終身發(fā)展能力[5]。

結(jié)合海外留學(xué)歸國(guó)人士的經(jīng)歷，讓同學(xué)們體會(huì)到，不論男女，學(xué)成歸國(guó)，報(bào)效祖國(guó)，不僅是我們先輩的使命，也是我們每一代人，每一個(gè)中華兒女的使命；我們一直是一個(gè)不屈不撓，努力奮斗的民族。①講述我國(guó)芯片制造史時(shí)，介紹中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)半導(dǎo)體奠基人黃昆于1951年放棄愛丁堡大學(xué)優(yōu)越的科研和生活條件，毅然回國(guó)任教，培養(yǎng)了一批又一批棟梁之材，為新中國(guó)的半導(dǎo)體教育和科技事業(yè)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)給同學(xué)留課下作業(yè)，讓學(xué)生自己查閱與黃昆院士具有相同經(jīng)歷的復(fù)旦大學(xué)第一任校長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士謝希德；②在介紹芯片制造工藝過程中，結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光工藝，向同學(xué)介紹近年來(lái)海外留學(xué)歸來(lái)的安集科技董事長(zhǎng)王淑敏，是我國(guó)化學(xué)機(jī)械拋光液的拓荒者；③在講述半導(dǎo)體制造中的刻蝕工藝時(shí)，向同學(xué)介紹中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）有限公司創(chuàng)始人尹志堯，同樣是海外歸國(guó)，打破了等離子體刻蝕機(jī)的國(guó)外壟斷現(xiàn)狀。

三 豐富教學(xué)模式

在專業(yè)知識(shí)講述過程中，為了提升授課質(zhì)量，提高學(xué)生的注意力，結(jié)合提問、播放視頻、攜帶教具、設(shè)置實(shí)驗(yàn)、學(xué)生自己講述等內(nèi)容進(jìn)行授課[6-8]。

1.設(shè)置問題。在講述P型摻雜半導(dǎo)體、N型摻雜半導(dǎo)體以及PN結(jié)時(shí)，首先進(jìn)行提問：包括什么是半導(dǎo)體，半導(dǎo)體主要用的材料是什么？等較為基礎(chǔ)的知識(shí)進(jìn)行提問，學(xué)生回答過后，繼續(xù)講述課程內(nèi)容，隨后播放相關(guān)視頻，從微觀上感受到P型摻雜和N型摻雜是發(fā)生了怎樣的過程，PN結(jié)的形成機(jī)理以及PN結(jié)在微觀上如何實(shí)現(xiàn)電子的單向?qū)ā?/p>

2.實(shí)物展示。在講述完硅片制造工藝后，帶來(lái)4寸和8寸的硅片給同學(xué)展示，讓同學(xué)近距離觀察硅片。

3.視頻演示。講述芯片與基板的互連時(shí)，播放引線鍵合的視頻和BGA焊球的熔化焊接過程；講述表面組裝技術(shù)（SMT）時(shí)候，講述完成后，將SMT的八個(gè)步驟以視頻形式播放。

4.結(jié)合實(shí)例。在講述完芯片制造封裝形式后，結(jié)合北京工業(yè)大學(xué)的電子封裝大賽，講述封裝大賽制作的“自動(dòng)循軌小車”所用的封裝形式。

5.自己動(dòng)手。在講述完芯片制造的后道工藝后，讓學(xué)生做焊接U盤的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際動(dòng)手體會(huì)電子封裝過程中所涉及的部分，如圖2所示。

圖2 U盤組裝流程圖

6.展示自己。鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)，題目?jī)?nèi)容不限，講述和芯片相關(guān)的知識(shí)。學(xué)生分別講述了微波器件和封裝設(shè)計(jì)等內(nèi)容，擴(kuò)充課堂授課內(nèi)容的同時(shí)鍛煉學(xué)生的講述能力。

四 強(qiáng)化知識(shí)應(yīng)用

結(jié)合授課目的和學(xué)生選課目的，在講述芯片制造工藝過程中，簡(jiǎn)述芯片制造行業(yè)的相關(guān)歷史及相關(guān)企業(yè)。

1.芯片發(fā)展史。在講述芯片前世今生時(shí)，結(jié)合二極管發(fā)明人威廉·肖克利講述貝爾實(shí)驗(yàn)室取得的成就，包括獲得XXX次諾貝爾獎(jiǎng)等，讓同學(xué)們通過實(shí)例感受到科技創(chuàng)新對(duì)商業(yè)發(fā)展甚至人類社會(huì)發(fā)展的重要作用。

2.結(jié)合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三個(gè)主要內(nèi)容，簡(jiǎn)述與這三個(gè)主要內(nèi)容相關(guān)的企業(yè)和廠商[9]。部分產(chǎn)業(yè)鏈與相關(guān)企業(yè)如圖3所示，通過工藝和企業(yè)的結(jié)合講述，讓選課同學(xué)體會(huì)到芯片制造業(yè)是一個(gè)龐雜的工業(yè)體系，每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域涉及眾多企業(yè)，頭部企業(yè)占據(jù)了市場(chǎng)主要的份額。

圖3 芯片制造工藝及部分企業(yè)

3.在講述光刻工藝，特別是光刻機(jī)時(shí)候，結(jié)合《光刻巨人：ASML崛起之路》向同學(xué)講述光刻機(jī)的發(fā)展史以及ASML的崛起過程[10]。

4.在講述芯片前道工藝后，結(jié)合臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司(臺(tái)積電)和中芯國(guó)際講述芯片代工是如何出現(xiàn)的及其在芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈中的重要作用。

5.在講述芯片設(shè)計(jì)工藝時(shí)，結(jié)合華為發(fā)展歷程和華為海思講述我國(guó)在芯片設(shè)計(jì)所做的研發(fā)工作及面臨的問題。

6.講述離子刻蝕工藝時(shí)結(jié)合中央二套的《中國(guó)財(cái)經(jīng)報(bào)道》講述我國(guó)離子刻蝕機(jī)的現(xiàn)狀等內(nèi)容。

五 結(jié)語(yǔ)

本課程從芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈角度講述芯片在科技發(fā)展中的作用、全球經(jīng)濟(jì)一體化下科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互關(guān)系及其在祖國(guó)建設(shè)中所扮演的角色?；谛酒圃旃に嚨膶W(xué)習(xí)，構(gòu)筑學(xué)生合理的工藝產(chǎn)業(yè)鏈思維、建立學(xué)生分析科學(xué)技術(shù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)全球化的關(guān)系，開闊學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、培養(yǎng)學(xué)生全局觀的綜合能力。