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基于OBE理念的电子封装技术专业课程教学改革探索论文

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2025-05-28 11:16:01    来源:    作者:xujingjing

摘要:电子封装技术是现代电子产业的重要组成部分,随着电子产品朝小型化、高集成化、高性能化方向发展,电子封装技术也进入飞速发展时期。传统电子封装技术教学往往偏重理论知识,忽视培养学生的实践能力。而OBE理念作为一种新型教育理念,为教学改革提供了有力支持。OBE理念以学生为中心、以成果为导向,注重培养学生解决复杂工程问题的能力和创新能力,为新时代电子封装人才的培养奠定了基础。基于此,从电子封装技术专业课程特性及课程教学现状入手,分析OBE教学理念优势,探索OBE理念在电子封装技术专业课程实践教学中的探索,旨在培养具

  摘要:电子封装技术是现代电子产业的重要组成部分,随着电子产品朝小型化、高集成化、高性能化方向发展,电子封装技术也进入飞速发展时期。传统电子封装技术教学往往偏重理论知识,忽视培养学生的实践能力。而OBE理念作为一种新型教育理念,为教学改革提供了有力支持。OBE理念以学生为中心、以成果为导向,注重培养学生解决复杂工程问题的能力和创新能力,为新时代电子封装人才的培养奠定了基础。基于此,从电子封装技术专业课程特性及课程教学现状入手,分析OBE教学理念优势,探索OBE理念在电子封装技术专业课程实践教学中的探索,旨在培养具有工程素养和实践创新能力的高层次人才。

  关键词:OBE理念;电子封装技术;专业课程;教学改革;工程案例

  OBE(Outcome based education)理念是一种以学习产出为核心的教育理念,其注重特定学习产出引导教育过程,将教育结构和课程视为实现目标的工具,而非最终目的。此外,OBE理念强调灵活教育,在明确学习目标的前提下,教师可自由选择教学方法和内容,不受特定指导方式限制。自2016年我国成为《华盛顿协议》正式成员以来,OBE理念逐渐成为工程教育认证考核的重要内容。推动工程教育专业认证可提升工程教育的质量,促进国际的相互认可,增强我国工程教育竞争力。作为国防紧缺领域专业之一,电子封装技术专业旨在培养具备知识应用能力、工程实践能力及解决复杂问题能力的高素质人才[1]。

  一、电子封装技术专业课程特性及课堂教学现状

  电子封装技术专业课程内容将微电子、材料科学和机械工程等多学科内容交叉,具有较强理论性和实践性。其课程核心在于教授学生如何将半导体芯片及电子元器件与外界电路和电气连接,并保障其在高温、高频等复杂环境下运行稳定。因此,电子封装技术专业课程涵盖材料学、力学、热管理、工艺技术等多个知识模块,强调系统性和应用性。

  第一,课程内容复杂且多样。电子封装技术不仅涉及基础材料选择、性能评估,还包括复杂封装工艺设计及封装后可靠性分析。由于该专业教学内容中包括塑料、陶瓷、金属及复合材料等多类封装材料,学生在学习过程中需掌握各类材料特性,以及其在不同封装环境中的应用。第二,实验教学薄弱,教学内容与理论脱节。传统教学模式大多注重传授理论知识,实验教学内容有限,无法覆盖电子封装技术发展新趋势。随着微电子产业朝高密度封装技术发展,CSP(芯片级封装)、SIP(系统级封装)和TSV(硅通孔)等新型封装技术不断涌现,而大部分学校现有实验设备和工艺陈旧,无法跟上行业前沿技术的步伐。

  二、OBE教学理念优势

  (一)以学生为中心,提升学习主体性

  OBE教学理念彻底改变传统教学中教师主导、学生被动接受知识的模式。在OBE框架下,学生不再是知识的单向接受者,而是学习的主导者。教学设计紧密围绕学生的学习需求展开,学习成果成为教学活动的最终评判标准,将教学的中心从“教”转变为“学”,促使学生在学习过程中更具主动性和参与感。

  (二)明确成果导向,强化能力培养

  OBE理念强调教育的最终成果,体现在学生是否具备解决实际问题的能力上。在OBE理念下,课程目标、教学内容和评价标准均围绕预期成果设定。电子封装技术专业的学生要掌握的不仅是理论知识,还要具备处理复杂工程问题的能力。OBE理念明确教学目标和学习成果,将课程内容与实际工程应用紧密结合,使学生在学习过程中具备理论联系实际的能力,真正实现从知识向能力的转化。

  (三)活化教学方式,适应个性化学习需求

  在传统教学模式中,教学内容和教学进度通常固定,难以顾及不同学生的学习能力和个性化需求。而在OBE理念下,教学方法具有较强灵活性,教师可以根据学生学习情况,及时调整教学内容和教学策略,从而更好地照顾到不同层次的学生需求,使学生按照自身节奏完成学习任务[2]。

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  三、OBE理念在电子封装技术专业课程实践教学中的应用

  (一)课程目标设计

  第一,入门篇。引导学生了解电子产品制造的基本流程与技术。介绍电子封装材料分类及性能要求,引导学生了解在集成电路和电子产品生产过程中封装材料的重要性;简要回顾集成电路发展历史和制造过程,帮助学生理解电子封装技术在现代电子产品制造中的关键作用。

  第二,材料篇。介绍电子产品组装过程中的常用材料和材料特性,覆盖从塑料、橡胶、复合材料到金属、陶瓷等多种材料,包括金属材料的弹性模量、蠕变、疲劳等力学性能及热塑性塑料、热固性塑料性质及应用。介绍电子封装中常用金属材料分类与性能,如铜、镍、锡等材料镀层工艺与性能评价方法。

  第三,工艺篇。围绕电子封装和组装的主要工艺技术展开,重点包括印刷电路板(PCB)制造、陶瓷基板制备工艺,以及软钎焊、电镀与沉积工艺。学习如何选择与应用合适基板材料,掌握厚膜与薄膜技术、多芯片模块的制作方法。探讨涂层材料等聚合物的物理性能,如流变性、玻璃化转变温度、热膨胀系数等。

  第四,实践篇。增强学生对理论知识的实际应用能力,促使学生在实验中学习厚膜基板材料制备方法、环氧树脂固化与封装、无铅焊料性能测定、电子封装金属锡基焊料及其微焊点的研磨和微观组织观察等相关知识。具体实验内容包括厚膜陶瓷基板制备工艺、氧化树脂固化封装,以及焊料及其微焊点研磨、抛光、腐蚀和微观组织观察、无铅钎料的熔化温度测定及其湿润性能和硬度测试等性能评估。

  (二)教学内容设计

  第一,丰富课本工程案例。课程应结合封装材料的选择、应用及其对封装工艺和器件性能的影响展开详细剖析。教师在讲授电子封装金属材料的物理和力学性能时,可引入工程实际案例,如5G介质滤波器金属焊点开裂的缺陷问题,深入分析焊点开裂的原因及高可靠性封装材料成分的选择。另外,在讲解电子封装金属材料的蠕变、疲劳等力学性能时,探讨电子器件微焊点中金属间化合物(IMC)对焊点界面力学行为及可靠性的影响,分析IMC的形成机理和抑制原理,从而提升电子器件服役可靠性。同时,在金属材料封装工程案例中,探讨如何做好引线键合中的材料选择和工艺控制等工作来提升芯片互联的性能。在讲解陶瓷材料时,介绍陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等,由于其化学键通常是离子键或共价键,陶瓷的化学稳定性好,被用作集成电路芯片封装的材料,但是由于其滑移系少,陶瓷材料脆性大,会出现封装基板的分层缺陷,同时列举陶瓷封装材料分层的失效案例。此外,针对高分子材料在电子封装中的应用,案例分析应聚焦于聚四氟乙烯、环氧树脂和聚酰亚胺等常见封装材料。聚合物的介电特性、导热性和耐热性,直接影响电子封装结构的可靠性。在教学中,以层间介电绝缘材料为例,详细描述高分子材料在高密度多层封装基板中的应用,解释其对封装工艺稳定性的影响。

  第二,融入课程思政元素。《高等学校课程思政建设指导纲要》提出:“高校课程思政要融入课堂教学建设,……贯穿于课堂授课、教学研讨、实验实训、作业论文各环节。”在传授专业知识的同时,融入社会主义核心价值观、文化自信、责任担当、社会道德、钻研精神与创新意识、学术诚信等思政元素,并通过恰当方式将这些思政内容与专业知识进行有机结合。例如:在讲授金属材料知识时,教师可以在介绍合金材料性能特点的过程中,结合我国航空航天领域的新型金属材料应用案例,激发学生的航空报国情怀和工匠精神,引导学生在学习中培养钻研精神,并感受追求科学的魅力。在讲授金属材料的基本性能知识时,教师可以介绍泰坦尼克号重大事故案例,并阐明沉船原因是泰坦尼克号采用了含硫量、含磷量较高的钢板,该钢板在室温下冲击韧性符合使用要求,不过在低温下具有脆性,从韧性、脆性和韧脆转变方面展开教学,培养学生认真严谨的学习与工作态度,激发学生的学习热情,使其树立起对所从事行业的责任感与使命感。

  (三)教学模式改革

  第一,实行模块化、递进式实验教学模式。模块化教学模式核心是将复杂的封装工艺,分解为多个独立的实验模块,每个模块侧重不同工艺或技术环节。例如,将电子封装工艺流程划分为芯片互联、封装材料测试、焊接工艺等独立模块,每个模块配备相应的实验设备和教学内容,使学生在逐步掌握每个环节后,从整体上把握封装工艺的系统性。递进式教学模式强调设计层次性实验内容,即从基础性实验逐步过渡到综合性、创新性实验。例如,初级阶段实验内容主要围绕基础封装工艺的验证,旨在让学生完成标准化工艺流程,掌握基础操作技能。在中级阶段,实验内容则升级为综合设计实验,要求学生根据实际工程需求设计工艺流程,增强对封装工艺复杂性的理解。到高级阶段,要求学生参与创新性实验项目,结合当前行业热点问题,设计并优化封装工艺,提出创新性的技术解决方案。

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  第二,引入项目研究及工艺研发创新型实践教学模式。在OBE理念的指导下,引入项目研究与工艺研发为导向的创新型实践教学模式,可有效解决教学模式单一、创新性不足的问题,还可提高学生在实践中的创新能力和解决复杂问题的能力。首先,以项目驱动的方式革新传统教学,将实际工程项目与最新科研课题融入教学。教师从前沿技术问题出发,设定项目预期成果,引导学生围绕这些问题展开深入研究,学生需要从问题提出、方案制定到最终项目实施与优化,经历完整工程实践过程。其次,结合当前电子封装领域的技术需求,借助实际工艺研发项目,学生直接参与产业所需的工艺创新环节。此外,引入项目研究还可推动实践教学与科研的深度结合。

  (四)实践教学设计

  第一,搭建基于企业生产工艺线的电子产品封装工艺平台。企业生产工艺线平台可直接引入教学体系,将核心设备如回流焊炉、丝网印刷机、自动贴片机等封装设备集成到实验室,形成完整的封装工艺流程。学生在实验室内完成从设计到封装的完整流程训练,弥补传统实验设备陈旧、技术更新滞后的不足。在平台设计中,应结合电子封装领域最新需求,将实际生产中使用的工艺与设备结合起来。平台还需与企业实际生产环境紧密对接,模拟真实的生产操作场景。企业生产中涉及封装工艺的部分,包括质量控制、流程管理等环节,也应在教学中得到体现,这样学生在实践中,能理解整个封装流程中的质量管理、工艺参数控制等核心内容,从而增强对封装技术的整体理解[3]。

  第二,建立实践教育管理机制平台。行业需求是推动人才培养模式改革的核心价值取向,也是高校发展的内在动力。OBE理念实现了教育导向从“专家导向”向“利益相关者导向”的转变。2014年6月,国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》,明确指出:“到2030年,集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,实现跨越发展。”作为国家战略推进的重要产业之一,电子封装对具备创新精神和创业能力的高端应用型人才提出了更高要求。在校企合作中,高校应建立用人单位深度参与的实践教学管理平台,积极探索以企业需求为导向的“共享共赢”发展模式。

  综上所述,基于OBE理念的电子封装技术专业课程教学改革,可为工程教育提供新的视角和方法。改革过程中,课程内容更加贴合行业实际需求,实践教学设计从基础到创新实现了层次化推进,既满足了培养学生理论知识的要求,也强化了学生的工程实践能力。模块化、多元化的教学模式以及深度融合企业工艺平台,可以使学生在真实的生产环境中接触前沿技术,培养解决复杂工程问题的能力。此类改革不仅符合我国新工科教育发展需求,而且可为电子封装技术专业人才培养提供保障和路径,推动电子封装技术教学质量稳步提升。

  [1]刘礼俊.基于OBE理念的高校学生教育管理工作对策研究[J].现代职业教育,2024(30):165-168.

  [2]苏弘扬,刘闯,贾瑞.“新工科+OBE”理念下面向人才培养的车辆工程专业师资建设研究[J].汽车维修技师,2024(20):62.

  [3]刘东静,周福,刘利孙.项目导向型教学在电子封装技术专业课程教学中的应用[J].学园,2022(18):12-14.