電子封裝專業虛擬仿真實驗平臺的構建及應用

姚旺 吳欣 楊海峰 鐘博 王華濤

摘要：在卓越工程師教育培養計劃的引領下，以培養工程實踐能力和創新能力為目標，利用虛擬仿真助力實踐教學改革，探索虛擬仿真技術電子封裝技術專業實驗教學中的應用，促進學科發展。采用虛擬仿真技術搭建貼近行業現實，涵蓋基礎、專業和創新實驗模塊的虛擬仿真實驗平臺資源，通過虛擬實驗與現實實驗的有機結合，有效提升學生的實踐和創新能力，鞏固學生的專業知識，豐富實踐教學培養模式，切實提高實踐教學質量，培養滿足社會及行業企業需求的領軍人才。

關鍵詞：電子封裝專業;??實驗教學;??虛擬仿真技術

中圖分類號??G642.0??????????????????文獻標志碼??A??????DOI：10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.004

人才培養是工程教育的根本使命，但現今的工程教育體系依然存在工程師質量不高、“卡脖子”和核心關鍵科技人才缺口大、工程人才實踐與創新能力不足等問題?[1，2]。教育部發布“關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見”，公布首批未來技術學院，號召高等學校深化工程教育改革，以產業需求為導向，將專業發展前沿成果以及最新要求融入人才培養方案和教學過程，培養創新型工程領軍人才?[3，4]。

哈爾濱工業大學校長，中國科學院韓杰才院士指出，高等教育需“深刻把握新一輪科技革命發展態勢，瞄準科技制高點超前布局、動態優化學科設置，有的放矢培養國家戰略人才和急需緊缺人才”[5]。圍繞國家戰略及地區發展需求，哈爾濱工業大學（威海）發布“哈工大新工科‘Π型方案”，強調了“專業+行業”的培養目標，大力推進校企協同育人機制，為國家培養能夠解決復雜工程問題并把握產業發展脈搏的創新實踐型人才[6]。在教學中，要求深化實踐型育人機制，充分發揮實踐教學在培養學生創新能力和綜合素質等方面的重要作用，合理設計實踐教學環節，加大實踐活動種類，加強綜合型、研究型、創新型實驗項目建設。

電子封裝屬于“新一代信息技術產業”，是以集成電路制造應用為目標的交叉學科，涵蓋互連、封裝及測試等多個領域，旨在培養面向未來技術和產業發展的復合型人才?[7]。為了提升學生的創新能力和工程實踐能力，電子封裝技術系將課堂教育貼近行業需求，借助虛擬仿真技術助力實踐教學改革，探索構建與“新工科”內涵相符的新型虛擬仿真實驗平臺，培養學生對專業技術的立體化認知，實現產業需求、課堂教學與實踐活動的有機結合，為國家戰略需要提供人才保障。

1??虛擬仿真在實踐教學中的實用價值

1.1?實踐教學存在的問題

創新實踐型人才的培養，需要充分發揮實踐教學在培養學生創新能力和綜合素質等方面的重要作用，合理設計實踐教學環節，加大實踐活動種類，加強綜合型、研究型、創新型實驗項目的建設[8，9]。集成電路制造和微電子封裝設備投資巨大，產業升級快，與其他高校面臨的情況類似，電子封裝實驗室設備更新換代緩慢，限制了學生對所學理論的實踐應用，也影響學生對現實生產的正確認知?[10，11]。產教結合機制雖然在一定程度讓學生接觸產業鏈條，但高潔凈需求的工作環境、昂貴且需持續工作的生產設備，使得企業不允許學生進行較高參與度的實踐操作。且封裝工藝實驗中形成的各種互連結構隱藏在芯片內部，又無法通過實時觀測達到直觀的認知，也就使學生難以掌握真實、完整的實驗過程?[12]，極大影響了實踐型人才的培養。

1.2?完善實踐教學的新途徑

基于現代信息技術的虛擬仿真實驗是在網絡、計算機與多媒體技術基礎上，將現實環境和真實實驗內容進行高度的仿真與集成的新技術，新方法，其構建的虛擬實驗具有交互性強、操作性好的特點，被認為是完善實踐教學的有效途徑[13，14]。推進“虛擬仿真實驗教學2.0建設”被明確列入教育部高等教育司工作要點[15]。

在電子封裝技術系的實踐教學中，利用虛擬仿真技術構建貼近現實的生產和實驗場景，打造直觀形象的仿真實驗內容，為學生提供全新的實踐技能培養手段和更多的實驗操作機會，提升學生的動手能力、知識運用能力和創新創造能力。虛擬仿真技術與現實實驗的有機結合，可以完善實驗教學體系建設，保證教學內容先進性和系統性，對健全電子封裝技術創新實踐教學質量保證體系具有重要意義。

2??虛擬仿真實驗平臺的構建思路

根據培養方案，挖掘產業發展需求，聚焦能夠鞏固專業知識、體現行業特色的優秀實驗內容，發揮虛擬仿真技術高度仿真和高度逼真的優勢，還原當前產業的專用設備、裝備以及模擬真實的場景，搭建“虛實結合，互為補充”的虛擬仿真實驗教學訓練平臺，讓學生最大限度的體驗現實生產環境，多角度理解專業知識，并在操作訓練中養成良好的實驗操作習慣，熟練實驗操作流程和實驗數據的處理方法，完成實驗報告撰寫。虛擬實驗平臺設計的實驗流程與結果，可以在實體實驗室得以驗證，而對實體實驗無法演示的內容，又可通過虛擬仿真實驗得以實現，進而強化學生對專業知識的深層認知，為創新型人才培養起到較好的支撐作用。

針對貫穿學生整個專業教育過程的實踐培養內容，以校內實驗資源以及在企業實習資源為參考，基于虛擬實驗操作及虛擬仿真實驗教學項目，形成了創新實踐人才培養的“三模塊、五層次”的虛擬仿真實踐能力培養平臺，架構如圖1所示。

突出“行業+專業”的一體化實踐教學新理念，讓學生沉浸式體驗實際生產場景的同時，采用“理論學習-虛擬仿真實驗平臺操作-真實操作”遞進式的實踐培養模式，更好的提升學生的專業素質和實踐能力。通過在虛擬仿真實驗中植入角色、旁白、提示、通關游戲考核等模塊內容，構建出功能多樣、內容豐富、運作高效的虛擬仿真實驗教學平臺資源，增加訓練的趣味性，以便更好的提升學生的專業素質和實踐能力。

3??虛擬仿真實驗平臺的應用

3.1?基礎課程實驗教學模塊的應用

基礎課程實驗教模塊主要針對低年級的學生，包括基礎實驗、實驗安全知識和儀器設備操作等內容，與基礎課程系列實驗以及認知實習相對應。讓學生在初次進入實驗室前，通過該模塊了解基本的物理、化學以及材料學實驗內容，進行有關基礎安全知識、儀器操作原理、實驗流程等的操作練習，增加學生的操作機會和熟練程度，培養良好的實驗操作規范和安全意識，強化理論知識和實踐技能的結合與應用。教師可通過模塊中對學生評測的統計結果，科學的掌握學生的接受程度，進而強化學生的薄弱環節，達到監控、評價和指導的多重結合，進一步提升學生的實驗操作水平，為真實實驗打下較為堅實的基礎。在完成訓練并通過考核的基礎上，再進行真實實驗操作，極大提升學生的動手能力，提高實踐教學的質量。

3.2?專業課程實驗教學模塊的應用

專業課程虛擬仿真實驗模塊為高年級學生提供針對微電子制造技術、微納連接原理方法和電子封裝可靠性等專業核心課程的包括芯片貼裝、互連及可靠性測試的虛擬仿真實驗內容，并為課程設計和畢業設計提供綜合設計型實驗的虛擬仿真演示及訓練內容，圖2為專業課中貼片制程的虛擬仿真實驗。

專業課教師可以提前布置虛擬仿真實驗作業。通過程虛擬仿真實驗的培訓，讓學生了解實驗設備結構組成，明確實驗目的和原理，熟悉實驗流程和操作步驟，更好的鞏固專業理論，了解行業前、后端制造的過程。在虛擬實驗的考核通過后，再進行實體實驗。此時可以運用虛擬實驗培訓中獲得的操作能力、設備知識與數據處理的經驗，更好、更熟練的完成真實實驗操作；反過來，專業課程真實實驗中的突發問題也能彌補理想化虛擬操作的不足。這種虛實的有機結合，可以有效的提升學生的專業素養及操作技能，激發學習興趣，培養創新實踐能力。

此外，在課程設計和畢業設計階段，有相關需求的學生還可以選擇綜合設計類實驗，該訓練部分聚焦以疊層芯片、倒裝芯片及球柵陣列為主的系統級先進封裝制程，突出體現電子制造-封-測一體化的行業趨勢，提供包括硅壓力傳感器制備、先進封裝的熱管理及疊層芯片封裝流程的虛擬仿真實驗資源。以疊層芯片封裝流程為例，該虛擬仿真實驗主要介紹倒裝芯片的優勢特點以及硅通孔的制備技術，技術難題，并讓學生從封裝材料中進行選擇，完成封裝操作流程。通過培訓可以讓學生更直觀的感悟先進的微制程技術，思考相關的原理及方法，分辨理論設計與現實應用存在的差異，培養學生的創新意識。

3.3?創新創業實驗教學模塊的應用

針對當前學科競賽、科技創新及創業實踐項目，創新創業虛擬仿真模塊可為有余力的學生提供案例訓練和實驗操作兩大類虛擬仿真實驗培訓，培養學生進行科技創新創業的綜合能力。案例訓練可對學生進行協作與管理、大賽體驗及心里等方面的訓練，用成功參賽案例，讓學生接觸創新性思維，重視團隊協作，熟悉競賽流程，體驗創業項目從創意到創立的過程，發現自身專業知識、創新素質以及心理承受能力的優勢與不足，積累賽事經驗和培養應變能力。實操部分中，學生可以操作封裝結構-熱設計虛擬仿真實驗和焊點老化界面分析的虛擬仿真實驗，并結合有限元模擬軟件對設計的封裝結構進行自主性實驗驗證。再利用平臺對學生關鍵決策點的捕捉、統計和反饋，讓參與者掌握自身與平均水平的差距，有利于學生進行針對性訓練，全方位提升自身工程實踐能力，為競賽和科研做好充分準備。

3.4??虛擬仿真實驗平臺的應用成效

目前，虛擬仿真實驗平臺已經應用在專業核心課和選修課程的實踐教學中。學生普遍認為虛擬仿真實驗的趣味性高，通過平臺的培訓，動手能力、解決問題的能力都有一定的提升，尤其對自己的專業素養更自信，對行業需求了解更深入。電子封裝虛擬仿真平臺當前已完成材料學院多輪約430人次的安全知識培訓，輔助學生完成了年度項目、挑戰杯、光威杯等校級、國家級科創比賽，強化了學生的實踐能力和技術實力，接連在實踐技能大賽中斬獲佳績。尤其在疫情時期，虛擬仿真實驗教學平臺讓學生在仿真的操作環境下，獲得多環節的實踐訓練操作技巧，保證了特殊時期實踐人才的培養質量。

未來電子封裝技術系將與更多的封測龍頭企業建立優勢互補，深化虛擬仿真實驗的應用，構建更完善的實驗內容和考核模式，探索校企協同育人機制下的虛擬仿真平臺的共享模式，為更多的師生和企業服務。

4??結束語

以滿足社會需求及產業發展為根本出發點，以提高人才培養質量為目標，將虛擬仿真技術與實體實驗互相結合、互為補充，構建“三模塊、五層次”的虛擬仿真實驗教學培訓平臺，讓學生在開放、自主和交互的虛擬環境中開展高效、安全、經濟的實踐訓練，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，拓展實踐領域和模式，豐富教學內容，有利于更好的培養引領產業變革的創新型卓越工程人才。

參??考??文??獻

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基金項目：山東省教育廳本科高校教學改革研究項目（M2020168）；山東省教育廳本科高校教學改革研究項目（M2022276）

作者簡介：姚旺（1978?-?），女，博士，講師，主要從事碳材料制備及應用方面的研究。

通信作者：鐘博（1981-），男，博士，教授，主要從事碳材料制備及應用方面的研究