《走进“芯”世界》课程的探索与实践

周炜，郭福，林健，汉晶，王乙舒，夏志东

(北京工业大学，北京)

芯片技术的发明，不仅改变了世界格局和大国之间的博弈，也改变了我们的日常生活方式。如果没有芯片，就不会有手机、电脑、汽车、信息通讯、国际空间站等，人类已经须臾离不开芯片了。芯片技术的迭代也为人类社会的进步，生活的便利做出了巨大贡献，掌握最先进的芯片制造技术，也就意味着在电子信息技术占领最前沿。

但是，当前国际经济形势风云变幻，去全球化风潮抬头，世界各国掌握着不同的先进的芯片技术，其中美国具有较为完备的产业链。中国的缺“芯”现状引起了广大民众对集成电路的关注。走在时代前沿的当代大学生迫切希望了解中国要想摆脱现状需要付出怎样的努力，需要从哪些方面实现技术突破[1-3]。大学公共选修课作为一种通识教育手段，在充分考虑学生兴趣爱好和知识广度的前提下开设，可以构建针对全校不同专业学生的教育内容，拓宽学生视野[4]。

《走进“芯”世界》是北京工业大学材料制造学部为全校本科生开设的一门通识选修课，课程内容涵盖了芯片发展史、芯片制造工艺流程、芯片封装测试、全球经济一体化背景下芯片制造产业链情况、芯片在未来可能的发展方向以及相关实验等内容。通过该课程的学习，以期使学生了解芯片制造技术是一门集化学、物理学、材料学、机械学以及信息学等众多学科于一身的工业制造技术，涉及到材料、工艺、软件、设备等的研发；可以帮助学生理解工程技术与基础科学之间的内在联系，初步建立科学技术研发对商业经济发展的革新作用，对激发学生创新思维具有重要地位和作用。

一 学情分析

首先针对学生选课结果分析学生特点和知识结构，统计结果如图1（a）所示。选课学生主要集中于大学二年级，是学生刚开始接触自己所学专业课，初步探索并了解自己所学知识在未来的应用方向，因此有必要在授课过程中结合课程内容讲述芯片制造产业链中的企业以及我国在相关行业的现状；针对有一定专业知识背景的大三学生，讲述行业相关知识来扩充知识广度同时可以为大四学生在未来发展方向提供参考。

图1（b）是学生所学专业统计，可见学生专业知识复杂，最多的是自动化专业。针对学生选课情况，有必要对学生选课目的进行调研，在第一堂绪论课前准备了三个问题，依次为：1.谈谈自己对芯片的认识；2.为什么选这门课程？3.通过这门课程想学到什么知识？根据学生回答情况，统计后又主要是以下几种结果：①出于兴趣爱好想了解芯片；②学习芯片内部结构、原理、制造流程及芯片研发过程；③了解手机芯片知识、光刻机；④芯片是如何工作、发挥作用、维持产品运作；⑤了解芯片相关产业和公司现状；⑥了解芯片行业的就业前景、前沿成果。根据统计结果，可以有针对性地对课程内容进行调整，满足学生知识获取目的的同时使得教学效果达到最优。

图1 学生选课分析(a)年级分布，(b)专业分布

二 融入课程思政

在授课过程中，融入课程思政。孟子曰：“天下之本在国，国之本在家，家之本在身。”弘扬家国情怀，有利于引导学生树立以家国天下为重，以民族大义为念，把个人理想追求融入实现中华民族伟大复兴中国梦的不懈奋斗中。教育部《完善中华优秀传统文化教育指导纲要》指出，突出强调大学生的个人修养、社会关爱、家国情怀使其具有终身发展能力[5]。

结合海外留学归国人士的经历，让同学们体会到，不论男女，学成归国，报效祖国，不仅是我们先辈的使命，也是我们每一代人，每一个中华儿女的使命；我们一直是一个不屈不挠，努力奋斗的民族。①讲述我国芯片制造史时，介绍中国科学院院士、中国半导体奠基人黄昆于1951年放弃爱丁堡大学优越的科研和生活条件，毅然回国任教，培养了一批又一批栋梁之材，为新中国的半导体教育和科技事业建设做出巨大贡献。同时给同学留课下作业，让学生自己查阅与黄昆院士具有相同经历的复旦大学第一任校长，中国科学院院士谢希德；②在介绍芯片制造工艺过程中，结合化学机械抛光工艺，向同学介绍近年来海外留学归来的安集科技董事长王淑敏，是我国化学机械抛光液的拓荒者；③在讲述半导体制造中的刻蚀工艺时，向同学介绍中微半导体设备（上海）有限公司创始人尹志尧，同样是海外归国，打破了等离子体刻蚀机的国外垄断现状。

三 丰富教学模式

在专业知识讲述过程中，为了提升授课质量，提高学生的注意力，结合提问、播放视频、携带教具、设置实验、学生自己讲述等内容进行授课[6-8]。

1.设置问题。在讲述P型掺杂半导体、N型掺杂半导体以及PN结时，首先进行提问：包括什么是半导体，半导体主要用的材料是什么？等较为基础的知识进行提问，学生回答过后，继续讲述课程内容，随后播放相关视频，从微观上感受到P型掺杂和N型掺杂是发生了怎样的过程，PN结的形成机理以及PN结在微观上如何实现电子的单向导通。

2.实物展示。在讲述完硅片制造工艺后，带来4寸和8寸的硅片给同学展示，让同学近距离观察硅片。

3.视频演示。讲述芯片与基板的互连时，播放引线键合的视频和BGA焊球的熔化焊接过程；讲述表面组装技术（SMT）时候，讲述完成后，将SMT的八个步骤以视频形式播放。

4.结合实例。在讲述完芯片制造封装形式后，结合北京工业大学的电子封装大赛，讲述封装大赛制作的“自动循轨小车”所用的封装形式。

5.自己动手。在讲述完芯片制造的后道工艺后，让学生做焊接U盘的实验，实际动手体会电子封装过程中所涉及的部分，如图2所示。

图2 U盘组装流程图

6.展示自己。鼓励学生上讲台，题目内容不限，讲述和芯片相关的知识。学生分别讲述了微波器件和封装设计等内容，扩充课堂授课内容的同时锻炼学生的讲述能力。

四 强化知识应用

结合授课目的和学生选课目的，在讲述芯片制造工艺过程中，简述芯片制造行业的相关历史及相关企业。

1.芯片发展史。在讲述芯片前世今生时，结合二极管发明人威廉·肖克利讲述贝尔实验室取得的成就，包括获得XXX次诺贝尔奖等，让同学们通过实例感受到科技创新对商业发展甚至人类社会发展的重要作用。

2.结合半导体产业链的设计、制造、封测三个主要内容，简述与这三个主要内容相关的企业和厂商[9]。部分产业链与相关企业如图3所示，通过工艺和企业的结合讲述，让选课同学体会到芯片制造业是一个庞杂的工业体系，每个细分领域涉及众多企业，头部企业占据了市场主要的份额。

图3 芯片制造工艺及部分企业

3.在讲述光刻工艺，特别是光刻机时候，结合《光刻巨人：ASML崛起之路》向同学讲述光刻机的发展史以及ASML的崛起过程[10]。

4.在讲述芯片前道工艺后，结合台湾积体电路制造股份有限公司(台积电)和中芯国际讲述芯片代工是如何出现的及其在芯片制造产业链中的重要作用。

5.在讲述芯片设计工艺时，结合华为发展历程和华为海思讲述我国在芯片设计所做的研发工作及面临的问题。

6.讲述离子刻蚀工艺时结合中央二套的《中国财经报道》讲述我国离子刻蚀机的现状等内容。

五 结语

本课程从芯片制造产业链角度讲述芯片在科技发展中的作用、全球经济一体化下科学技术与经济发展的相互关系及其在祖国建设中所扮演的角色。基于芯片制造工艺的学习，构筑学生合理的工艺产业链思维、建立学生分析科学技术发展与经济全球化的关系，开阔学生视野、激发学生的创新思维、培养学生全局观的综合能力。