微电子封装课程的教学内容优化研究
赵继聪，孙海燕
（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通）
摘 要： 随着物联网技术的快速发展，MEMS 传感器件受到广泛关注。然而，其封装技术是制约其产业化的主要瓶颈。本文在微电子封装课程的基础上，设计MEMS 传感器封装方面的内容，主要从基础理论知识、工艺制造流程、微纳工艺设备、案例仿真以及实地参观学习等方面入手，培养学生的专业技能，提升学生在微电子封装方面的就业竞争力。
关键词： 微电子封装；MEMS 传感器封装；课程内容
随着我国在信息化建设方面的快速发展，微电子封装领域的人才匮乏、人才需求矛盾日益突出。南通大学处于长三角地区，周边有多家国际知名的微电子封装企业，如南通富士通、江阴长电、中芯国际等，这些公司亟需微电子封装领域的专业人才，以提高企业的国际竞争力。微电子封装课程是将学生引入这一极富挑战性领域的基础课程，对学生未来的就业发展至关重要[1]。针对上述问题，本文提出以下改进方案：①为了满足目前封装测试相关企业对微电子封装技术的实际应用需求，设计MEMS 传感器件封装课程内容，为相关专业学生的未来职业发展打下坚实的理论基础；②为缩短学生所学知识与实际应用之间的距离，利用Ansys 软件进行实际案例仿真演示与多媒体技术相结合的课堂教学方法研究，强化学生对教学内容的理解与对最新封装技术方法的掌握。
数据运营时代，场景背后是可量化的数据。数据流动性越强，生成的结构性场景也越多，用户需求数据越清晰，新场景创造与用户匹配度也越精准。
一 课堂讲授内容设计
在设计微电子封装课程的教学方案时，首先在系统阐述传统集成电路封装的基本原理及实践案例的基础上，提出MEMS 传感器封装技术开发的必要性以及急迫性。通过设计多媒体教学PPT，向学生展示MEMS 传感器应用领域的广泛性及其性能优越性，如汽车安全气囊控制器、导航系统、地震监测、目标定位与跟踪、无线通讯系统以及生物医疗领域等，并且阐述各类型MEMS 传感器的工作原理。图1 为MEMS传感器工作原理示意图[2]，输入电极的电信号通过换能作用转换为机械振动，采用机械振动结构完成信号处理，再通过换能作用将处理后的机械信号转换为电学信号并输出。其中，待检测信号会影响机电换能以及机械信号处理，进而影响输出电学信号，实现传感应用。
显然，对联通来说，无论移动采取什么策略，联通只要采取不涨价策略都可以获得更优的支付。对于移动来说，无论联通采取什么策略，移动只要采取不涨价策略都可以获得更优的支付。这样不涨价就是两个公司的占优策略，所以两家公司都会采取不涨价策略，各获得50的支付(50,50)。当该博弈处于(不涨价，不涨价)策略组合时，联通和移动都无法通过改变自己的策略来获得更好的支付，于是博弈到达纳什均衡状态。
图1 MEMS 传感器工作原理示意图
通过上述内容的讲述，激发学生进一步深入学习MEMS 传感器封装技术的兴趣。在此基础上，引出问题：虽然MEMS 传感器的研究日益成熟，然而相对落后的封装技术已成为制约其产品进入市场的主要瓶颈，亟需专业技术人员在该领域取得突破。MEMS 传感器的封装包括多个环节，如封装结构设计优化、工艺流程设计、微纳加工、测试等，这几个环节均需要专业技术人员相互合作，最终完成MEMS 传感器封装。因此，课程讲授内容围绕这几个环节进行设计，不仅能扎实学生的基础理论知识，还能学以致用。
首先，结合自身专业知识以及系统地文献调研结果，在微电子封装课程中设计MEMS 传感器封装方面的基础理论知识，针对MEMS 传感器封装的要求[3-4]：①封装结构具有很好的坚固性，不仅可以承受恶劣环境的影响，还能避免后续工艺对器件的损坏，如划片、引线键合、塑封等；②封装结构应具有高真空、高气密性特性，不仅可以保证可动的微尺度结构免遭外界环境不利影响，还能降低空气阻尼损耗，提高器件品质因数；③封装结构应具有电学互连通道，以传输器件的驱动和感应信号；④封装结构应最大限度地减小对射频信号的干扰，保证信号的完整性；⑤封装结构应具有应力缓和功能，避免多层薄膜结构间应力释放引起的封装失效。向学生系统讲述以上五点要求的必要性以及可行解决方案，增强学生的基础理论知识储备。在此基础上，利用多媒体向学生展示目前国内外已经开发出的一些MEMS 传感器封装技术，如薄膜封装、管壳封装、圆片级键合封装等，并指出这些技术的优点及局限性。
为了进一步巩固学生所学的基础理论知识，在课堂讲授结束前，向学生展示一种类型的MEMS 传感器件，要求学生针对其工作特点简要设计封装结构、工艺流程、微纳加工工艺及测试方法。通过分组讨论、提问等方式，充分发挥学生的学习主动性及团队合作精神，提出设计方案，引导学生对其他分组设计方案进行评价，最后授课教师再对各组设计方案进行点评，提出建设性意见。
在高等教育课程中，课程实践环节是为了培养学生的创新能力，加深对基础理论知识的理解与掌握，是培养工科专业学生动手能力及团队协作能力的必要环节。在微电子封装课程教学内容优化研究中，授课教师将从课堂实践以及参观实习两方面入手，设计课程实践内容。
2）结果评定。dxy及dz应在给定的限差pxy及pz之内（pxy及pz由相关的测量任务规定），说明该台全站仪可以满足待定任务的需求；如果没有规定pxy及pz，则及 SISO-TS-z为同一台仪器按照完整检定法获得的水平位置及高程位置的标准差。SISO-TS-xy及SISO-TS-z的限差可以由仪器生产厂家给出，也可以按照方差协方差导出。
二 课程实践环节设计
此外，针对上述封装技术，系统讲述封装工艺流程及设计方法，包括光刻、薄膜淀积、圆片级键合、干法刻蚀、激光打孔、金属剥离、电镀金属、化学机械研磨、去离子水清洗等，并利用多媒体向学生展示各种工艺设备，讲述其工作原理以及目前国际上最先进相关设备性能。其中，圆片级键合工艺是决定MEMS 传感器能否长期稳定工作、系统微型化的关键，在授课过程中需要着重强调，系统阐述几种主要键合方法的基本原理、优缺点及适用范围，包括阳极键合、硅-硅直接键合、热压键合、玻璃浆料键合和共晶键合等。MEMS 传感器在封装后必须对其封装质量进行测试，以确定其是否能满足性能要求。在课堂讲授内容中设计MEMS 传感器封装后测试方法，进行系统阐述。衡量其封装品质主要从电学性能和机械性能两方面入手。电学性能测试需要利用网络分析仪、频谱仪等设备对MEMS 传感器进行测试。利用多媒体向学生展示相关设备，并简要介绍这些设备的操作方法及注意事项。机械性能测试主要包括氦气检漏、剪切强度测试、热稳定性测试、振动稳定性测试等。其中，氦气检漏用于检测封装结构的真空气密性能；剪切强度测试用于检测封装键合强度；热和振动稳定性测试分别用于评价封装结构应力和机械振动是否对器件性能产生影响。在课堂讲授时，向学生系统讲述以上几种机械性能测试方法的基本原理以及评价标准。在此基础上，教授学生如何根据测试结果进行分析，深入探究影响测试结果的机理，引导学生探究MEMS 传感器封装结构优化设计方法。利用多媒体向学生展示相关设备，如INFICON UL 1000 He 漏率检测仪、Royce 650 键合剪切力测试机、高低温交变试验箱等，并向学生讲授相关设备的操作方法及注意事项。
首先，结合授课教师的专业知识及文献调研结果，设计提出一种MEMS 传感器的封装结构，并利用多媒体向学生展示。在此基础上，教授学生如何使用Ansys 有限元软件对所设计的封装结构进行电、热性能的优化。授课教师在操作软件进行三维结构建模的同时，利用多媒体向学生展示操作方法及步骤。针对每一步操作流程，向学生讲授该操作流程的缘由及注意事项，并提醒学生进行记录，使得学生能够快速掌握基本的建模方法。针对电、热仿真结果，教授学生如何分析仿真结果的方法及影响仿真结果的结构参数，如何根据仿真结果进行结构的优化设计。在学生充分掌握建模方法、分析仿真结果及优化设计方法的基础上，让学生上机进行建模仿真，要求学生在遇到问题时查询相关资料予以解决，授课教师给予适当引导。在课堂实践结束前，授课教师针对学生建模仿真情况进行点评，要求学生撰写课堂实践报告，进一步加深对MEMS 传感器封装结构优化设计方法的理解。
对于工科专业学生，实地参观实习是培养其专业兴趣的有效途径。授课教师通过多渠道选择联系一家设备齐全、技术先进的公司，让学生到该单位进行参观实习，让学生近距离接触先进的封装设备及封装技术，邀请公司相关技术人员向学生讲解国内外最新的研究成果。同时，与公司管理人员进行沟通，争取建立校企联合实践基地，为学生专业能力培养以及就业打下基础。
三 结语
本课题在传统微电子封装课程内容的基础上，引入MEMS 传感器封装技术的授课内容[5]。一方面，优化设计课堂讲授内容，包括MEMS 传感器封装的基础理论知识、工艺制造流程以及微纳加工设备等，拓展学生的专业知识面；另一方面，利用课堂实践和实地参观实习的方法，进一步加深学生对基础理论知识的理解以及激发学生的专业兴趣。
参考文献
[1] Rao R.Tummala 编著；黄庆安、唐洁影译.微系统封装基础[M].南京：东南大学出版社,2004.
[2] F.D.Bannon,J.R.Clark,C.T.C.N guyen.High-Q H F microelectromechanical filters[J].Journal of Solid-State Circuits,2000,35(4)：512-526.
[3] 徐泰然主编；姚军译.微机电系统封装[M].北京：清华大学出版社,2006.
[4] 邱碧秀编著.微系统封装原理与技术[M].北京：电子工业出版社,2006.
[5] 徐大庆,刘树林,童军,等.微电子学科物理基础类课程体系教学改革探索与实践[J].教育现代化,2016,3(29)：138-139.
本文引用格式： 赵继聪,孙海燕.微电子封装课程的教学内容优化研究[J].教育现代化,2019,6(76)：54-55.
基金项目： 本文系南通大学高等教育研究课题（项目编号：2018GJ007）
作者简介： 赵继聪（1989-），男，汉族，江苏南通人，博士，讲师，研究方向：MEMS 传感器方面的教学与研究工作。
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.76.027
标签：微电子封装论文; MEMS传感器封装论文; 课程内容论文; 南通大学信息科学技术学院论文;