《電子封裝結(jié)構(gòu)》課程內(nèi)容設(shè)計(jì)探索
——以江蘇科技大學(xué)電子封裝技術(shù)專業(yè)教學(xué)為例

王小京 劉 寧 周慧玲 蔡珊珊 彭巨擘 王鳳江 陳書錦

一、背景介紹

《電子封裝結(jié)構(gòu)》這門課屬于新興交叉學(xué)科“電子封裝技術(shù)”專業(yè)的必修課程。課程內(nèi)容涉及力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、數(shù)值分析等領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容。所謂電子封裝是指將具有一定功能的集成電路芯片，放置在一個(gè)與之相適應(yīng)的外殼容器中，為芯片提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，使芯片能夠穩(wěn)定發(fā)揮其設(shè)計(jì)功能[1]。封裝結(jié)構(gòu)則是保護(hù)芯片、并使之發(fā)揮功能的具體物理構(gòu)型；它是芯片設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心內(nèi)容。因此，該課程教學(xué)中涉及的內(nèi)容、教學(xué)、理念等，與電子產(chǎn)業(yè)鏈以及封裝技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。該課程在國外，是作為固體電子學(xué)、或微電子學(xué)專業(yè)的一些選修課程存在的[2]。近二十年來，國內(nèi)電子制造業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展，在珠三角、長(zhǎng)三角擁有不同級(jí)別的較為完整的電子制造產(chǎn)業(yè)鏈。尤其是近10年來，長(zhǎng)三角的產(chǎn)業(yè)人才需求驅(qū)動(dòng)，需要大量的具有專業(yè)知識(shí)的從業(yè)人員，在這樣的產(chǎn)業(yè)背景發(fā)展出了“電子封裝技術(shù)”這一交叉學(xué)科[3]，給國家培養(yǎng)了行業(yè)急需的人才。而《電子封裝結(jié)構(gòu)》的建設(shè)，也是隨著行業(yè)對(duì)封裝結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入，對(duì)課程的需求也發(fā)生了改變。逐步由最初的“掌握封裝結(jié)構(gòu)”的需求，轉(zhuǎn)變到當(dāng)前“對(duì)結(jié)構(gòu)掌握的基礎(chǔ)上，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力”，這樣的需求層面上來，使得課程的內(nèi)容、教學(xué)等方面，均在一定程度上做出新的調(diào)整，形成一個(gè)較為完整的教學(xué)框架[4]。

鑒于此，課程設(shè)計(jì)人員，克服數(shù)據(jù)可獲取的障礙，緊跟本領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的迫切需求，將封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容引入課堂。采用Cadence軟件、Ansys結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行講解與實(shí)訓(xùn)；體現(xiàn)基礎(chǔ)理論與封裝結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合——使“道”可道。讓封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能體現(xiàn)、設(shè)計(jì)理念，在具體的案例中得以深切體現(xiàn)。

二、教學(xué)發(fā)展歷程

本課程伴隨著第一屆電子封裝技術(shù)專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大一(2011年)，開始建設(shè)。經(jīng)過8年多的發(fā)展，形成了當(dāng)前的教學(xué)框架和內(nèi)容體系。在這段發(fā)展過程中，課程內(nèi)容做過兩次調(diào)整。第一階段為課程的建立到第一次調(diào)整的階段(2011年～2014年)[4]，課程內(nèi)容主要借鑒哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等內(nèi)容體系構(gòu)建了《電子封裝結(jié)構(gòu)》課程。課程主要講述封裝的主要結(jié)構(gòu)形式與制造流程、工藝。隨著國內(nèi)對(duì)于封裝領(lǐng)域的認(rèn)知和該領(lǐng)域的快速發(fā)展，這一課程內(nèi)容運(yùn)行2年后，發(fā)現(xiàn)課程內(nèi)容較為淺顯，沒有深入到封裝結(jié)構(gòu)的基本基礎(chǔ)層面。于是在2015年，對(duì)課程內(nèi)容做了大的調(diào)整，即進(jìn)入第二階段(2015年～2018年)。這個(gè)階段的課程內(nèi)容，加入了封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)內(nèi)容部分，即封裝結(jié)構(gòu)對(duì)芯片的力學(xué)支撐與保護(hù)作用，封裝結(jié)構(gòu)對(duì)芯片熱耗散的傳輸通道與勻熱、封裝結(jié)構(gòu)對(duì)芯片配電、信號(hào)傳輸方面的影響。主要加入了這四方面的基礎(chǔ)內(nèi)容，使得該門課程對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的講述，更為合理。然而，由于封裝領(lǐng)域內(nèi)可以獲得的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論與具體封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)際案例較少，對(duì)于理論與具體封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)合方面，顯得力不從心。進(jìn)入2019年后，由于近年以來，國內(nèi)封測(cè)領(lǐng)域在設(shè)計(jì)方面的發(fā)展，部分封裝案例變得“可以獲取”，課程設(shè)計(jì)者可以獲得更多的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體案例，并對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行了更新，將更多的設(shè)計(jì)軟件融入具體教學(xué)過程，使得封裝結(jié)構(gòu)的理論，與具體結(jié)構(gòu)能夠具有更好的融合。因此，本課程在進(jìn)入2019年后，可以說是步入了第三個(gè)階段。

三、課程內(nèi)容發(fā)展

一直以來，芯片、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于核心關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)校、企不具有該方面的技術(shù)能力。但該部分內(nèi)容卻是封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)內(nèi)容和最為關(guān)鍵的部分。近三年，在市場(chǎng)與技術(shù)發(fā)展的共同驅(qū)動(dòng)下，國內(nèi)測(cè)封企業(yè)建立了自己的設(shè)計(jì)體系，并在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面積累了一定的數(shù)據(jù)。因此，本課程設(shè)計(jì)者，在與企業(yè)研發(fā)人員交流，并學(xué)習(xí)了封裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)本門課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，加入封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。使得電子封裝技術(shù)專業(yè)的本科生、研究生，以及對(duì)該領(lǐng)域感興趣的學(xué)生能夠真正地掌握設(shè)計(jì)的核心部分。該部分內(nèi)容基于傳熱學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，涉及電路、信號(hào)傳輸?shù)确矫鎯?nèi)容，采用cadence模擬軟件的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用Ansys軟件進(jìn)行封裝結(jié)構(gòu)熱分布、熱應(yīng)力、熱疲勞、力學(xué)載荷下的封裝可靠性模擬。為封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供基本途徑。

具體體現(xiàn)在表格1中的逐項(xiàng)改變。包含2個(gè)主旨：

一是體現(xiàn)具體案例在封裝結(jié)構(gòu)中的作用，讓理論和實(shí)際結(jié)合得更為緊密；把熱、力、結(jié)構(gòu)等知識(shí)，與具體的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，體現(xiàn)出不同知識(shí)體系統(tǒng)一在封裝體內(nèi)的具體衡量方法、與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體案例。在概述部分，以INTEL的CPU處理器的發(fā)展為例，講述了封裝結(jié)構(gòu)的變遷，并以該案例為基礎(chǔ)，進(jìn)行總結(jié)歸納出封裝結(jié)構(gòu)發(fā)展的總體路徑。理出未來可能的封裝結(jié)構(gòu)、不適用于CPU的封裝形式，一起其它可能的封裝形式。完成整個(gè)封裝體系的推演。在結(jié)合具體BGA(BallGrid Array)型、SiP(System in Pacakge)封裝結(jié)構(gòu)中，則選出具體的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而得到其熱、信號(hào)傳輸?shù)木唧w路徑。

二是將現(xiàn)有的封裝結(jié)構(gòu)分析軟件、設(shè)計(jì)軟件納入到本門課程的學(xué)習(xí)過程中[5]。讓學(xué)生深切體會(huì)到封裝結(jié)構(gòu)的具體形式與理論基礎(chǔ)之間是怎樣結(jié)合在一起的。具體的理論在封裝結(jié)構(gòu)中，到底是怎么使用，會(huì)有怎么樣的體現(xiàn)效果。

表1 教學(xué)內(nèi)容發(fā)展[6～10]

四、結(jié)語

本文以《電子封裝結(jié)構(gòu)》這門課程在江蘇科技大學(xué)的運(yùn)行為樣例，闡述了該課程內(nèi)容隨著認(rèn)知的發(fā)展而產(chǎn)生的演化過程，發(fā)展過程隨著人們對(duì)于封裝結(jié)構(gòu)的了解而逐漸深入。課程內(nèi)容從最初的結(jié)構(gòu)、工藝、流程為主，轉(zhuǎn)變?yōu)榧Y(jié)構(gòu)、工藝歷程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于一體的專業(yè)課程。內(nèi)容更為詳實(shí)、具體、理論與案例齊聚。用實(shí)際案例道出理論基礎(chǔ)在本領(lǐng)域的體現(xiàn)之“道”。