任敏 高巍 张波

[摘 要] “半导体可靠性工程”是本校微电子相关专业研究生的重要专业课之一。由于传统的课堂讲授模式存在诸多弊端，课程组在深入调研和问题梳理的基础上，以培养学生创新意识和创新能力为目标，探索了适用于本课程的具有交互性、实践性、启发性的教学方法。利用教师与学生的互动，使学生从被动学习变为主动学习;利用经典案例分析，加强课程的生动性;利用实验观摩和参与等实践环节，将理论与实际相结合。课程改革有效地提高了课程教学质量和本校研究生培养质量。

[关键词] 半导体可靠性;教学方法;研究生课程

[基金项目] 2020年度教育部产学合作协同育人项目“‘新工科背景下基于产教融合的‘微电子器件课程改革与建设”（201902082005）

[作者简介] 任 敏（1980—），女，四川乐山人，博士，电子科技大学电子科学与工程学院副教授，主要从事功率半导体器件及其可靠性研究;高 巍（1972—），男，宁夏银川人，博士，电子科技大学电子科学与工程学院副教授，主要从事半导体封装及可靠性研究;张 波（1964—），男，重庆人，硕士，电子科技大学电子科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事功率半导体器件和集成电路研究。

[中图分类号] TN303   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）26-0041-04    [收稿日期] 2021-03-22

半导体技术是电子信息时代的基石。半导体产业的不断发展升级对从业人员提出了更高的要求：既要具备扎实的理论基础，更应具备较强的实践能力和创新意识，因而对高校半导体相关专业的基础教育也提出了严峻挑战。随着半导体技术的迅速发展，半导体器件及集成电路的可靠性问题不断涌现，半导体可靠性相关知识已成为本领域研发人员知识版图中不可缺少的一块。因此，积极进行“半导体可靠性工程”课程的改革探索，可为高校相关课程的开设提供一定的借鉴，也对培养学生理论联系实践的能力具有积极的意义。

作为我国高校电子科学与技术专业学科的领头羊，电子科技大学从2013年起为微电子相关专业博硕士研究生开设了专业选修课程“半导体可靠性工程”，课程目标是使学生理解半导体可靠性工程的重要意义，掌握半导体可靠性物理基础理论以及半导体的常见失效机理，了解半导体可靠性实验方法及常用分析手段。课程组在教学过程中发现本课程的传统教学方式存在较多弊端，经过长期的思考、反思和实践，体会颇多。本文将总结课程组在多年的课程建设和教学实践中的改革经验，介绍对教学方法的探索和创新体会。

一、课程基本情况

课程改革前，“半导体可靠性工程”的教学采用传统的教师课堂讲授方式。由于大部分学生沿袭了本科期间的学习习惯，在课堂上只是被动地接受，缺乏学习的自主性和质疑精神，因此师生互动不足，学生参与度不高，在一定程度上影响了教学效果。实际上，本课程特别适合采用研讨式并结合案例分析方式开展教学活动，其原因在于：（1）课程内容具有分散性和前沿性。本课程由众多相对独立的知识点构成，围绕每个知识点又衍生出多个研究热点。随着集成电路线宽不断缩小，新的可靠性问题不断出现，研究热点不断更新，新的研究成果层出不穷。现成的教材跟不上产业界更新的速度，而仅靠教师收集和整理最新的文献资料既不够全面，也难以让学生把握本领域研究发展的脉络。如果让学生直接参与到课程内容的设计中来，针对某个研究热点问题查找阅读文献资料并进行课堂讨论，既能调动学生的积极性，又能让学生对学科前沿有更深刻的理解。（2）课程实践性强。很多的可靠性问题与具体的器件和电路设计、工艺流程以及应用场景直接相关，特别需要具有分析能力和解决复杂工程问题的能力。仅靠理论教学既枯燥乏味也缺乏说服力，如果引入具体的案例剖析，甚至让学生进行现场观摩和操作，将极大地改善授课效果。

二、课程改革方案

（一）调研和问题梳理

为了更好地完成“半导体可靠性工程”的改革建设，课程组在授课过程中有意识地通过问卷调查等进行调研，问题主要涉及课程内容和教学方法，如表1所示。从学生的反馈来看，大部分学生希望适当压缩理论部分，增加实践性和实用性更强的案例分析;也表示阅读文献分组报告的方式对自身科研能力的培养有一定的帮助。

课程组也对国内外高校开设的类似课程进行了仔细调研。分析国内多所著名高校相关专业的研究生培养方案后发现，开设半导体可靠性课程的高校并不多。究其原因，首先是因为半导体可靠性工程涉及内容非常广泛，是一门跨半导体物理、半导体工艺、材料、化学等多学科的交叉性学科，涵盖微电子产业链的各个环节，要求授课者具有深厚的知识积淀。其次，半导体可靠性工程是一门新兴的应用学科，其知识点较零散，研究热点不断更新，而目前国内缺乏系统的半导体可靠性教材，这就需要教师在授课过程中大量收集资料，紧跟行业前沿。此外，半导体可靠性工程具有很强的实践性，要求授课教师具有丰富的产业化項目经验，这恰恰是大多数高校教师所缺乏的。通过与国外微电子专业相关教授、业界知名专家交流，以及对国外著名高校课程设置的调研，课程组了解到：国外设置可靠性工程专业和开设可靠性课程的学校相比国内较多，主要由产业中项目经验丰富的教师承担授课任务，甚至会邀请工业界的资深工程师参与授课，因此能让学生接触到业界最新进展，也能为学生提供大量来自工程实践的具体案例。课程通常会安排Seminar环节，学生在教师的组织下针对某一专题进行深入讨论，教师和学生共同参与完成教学环节。

（二）研讨式教学改革

在上述调研的基础上，课程组从以下三个方面入手，在教学中引入研讨模式。

1.对课程讲授内容的重新梳理和优化。在研讨式教学过程中，同样需要教师进行必要的基础理论讲解，但是研讨环节的引入必然会压缩教师授课时间。为了更有效地利用宝贵的课堂时间，让学生的收获最大化，课程组对讲授内容进行适当的调整和优化，做到重点突出，详略得当。通过收集和整理历届选课学生的意见，了解学生特别希望听取的内容以及认为过于简单枯燥或收获不大的内容，结合课程教学大纲对授课内容进行了如下调整：可靠性基础理论部分仍采用传统授课方式，但适当压缩其内容;对半导体失效物理部分的讲解内容进行调整，对“热载流子效应”“NBTI效应”等失效机理增加了产业界和学术界较前沿的研究成果，以学生的开放式讨论为主;对可靠性实验方法和失效分析方法的讲授部分做了大幅删减，但增加了多个实际案例。

2.对研讨环节的设计和建设。研讨式教学很容易出现课堂讨论浮于表面、流于形式的问题，讨论过于简单浅显，使学生获得感低。因此，课程组对研讨内容进行了精心设计，对研讨过程做了精确把控。在内容设计上，将基础理论等不适合讨论的内容放在传统授课环节，并预先了解学生的专业方向、今后课题研究方向，针对学科前沿问题、有争议的学术问题拟订了5个适合开展讨论的专题：（1）界面陷阱的产生机理及其影响;（2）CMOS电路中改善热载流子效应的方法及其优缺点;（3）CMOS电路中改善NBTI效应的方法及其优缺点;（4）VDMOS器件在应用中的失效机理及预防方法;（5）IGBT器件在应用中的失效机理及预防方法。

研讨式教学的核心在于学生的参与及合作，只有学生主动参与才能将讨论引向深入，进而形成解决问题的策略或思路[1-3]。学生的主动参与需要教师的引导和充分准备。为了保证讨论效果，课程组对研讨专题设计了关键词，提供了一定的参考文献，帮助学生更好地完成准备工作。此外，研讨课之前对学生提出具体要求：广泛阅读资料，特别是最新的外文文献，注明其出处;深入分析文献，指出其创新点及局限性;提出自己的见解并进行阐述，记读书笔记。

3.高效的课堂组织。课堂组织是决定研讨式教学成败的关键。为提高讨论效率，规定学生须提前准备主题发言PPT，这样既能督促学生提前做好准备，也能避免讨论“跑题”。在讨论环节中，授课教师着重把握好集中与发散的关系，既避免讨论冷场，鼓励学生表达自己的见解;也避免信马由缰，让发言集中在学术层面。对学生提出的见解、方法，教师一一进行总结与点评，提出进一步的研究思路，引导学生进行更深入的思考，培养良好的科研习惯。

（三）案例教学改革

为了加强教学效果，让枯燥的理论知识变得生动，课程组在教学中引入了与理论部分相呼应的案例。这些案例大多是课程组教师在实际工程项目中积累的真实案例，生动且具有说服力。例如，在讲解半导体的失效分析过程和分析方法时，结合课题组研制的功率MOSFET在高温反偏实验中失效的案例，讲解如何设计失效分析方案，如何对失效样品进行从非破坏性到破坏性的分析实验，最终确定失效原因并提出改进措施，并在讲解过程中向学生展示失效样品的实物。通过对案列的深入分析，从中总结出一般性结论，与理论形成良好呼应，让学生的印象非常深刻，课堂参与度很高。

（四）实践教学改革

課程组也基于课程内容开展了实践教学改革。一方面，依托本校电子薄膜与集成器件国家重点实验室微细加工平台和功率集成技术实验室可靠性实验平台，为学生提供参观可靠性实验、参与失效器件分析的实践平台。微细加工平台可提供失效样管开封、拍照等失效分析手段，可靠性实验平台可提供雪崩耐量测试等可靠性测试设备和高低温箱、老化试验箱等可靠性实验设备。由于可靠性实验和失效分析实验具有一定的危险性，需要精心设计好实验内容，并在实践现场做好学生的组织工作，避免造成人员伤害或仪器设备的损坏。

另一方面，课程组与美国International Rectifier公司、Intel公司等行业知名企业保持紧密的联系，不定期邀请企业的可靠性专家通过线上或线下为学生进行专题讲座，拓展学生的视野，培养学生的行业前瞻性眼光，避免高校教育与产业界脱节。

（五）考核方式改革

本课程为考查课程，改革前的评价方式是在课程结束时由学生分组提交研究报告。该考核方式存在的问题是：部分学生放松了平时的学习，认为只要期末完成课程报告就能过关;没有将学生在小组中的贡献和考核结果挂钩，难以激发学生的积极性，这一点从学生的问卷调查中可以看出。因此，如何设计科学合理的考核方式，有效防止小组合作中可能出现的不公正现象也是改革的重点。

课程组采用过程导向的多元化评价体系，将学生在研讨环节的表现与期末课程报告考核相结合，关注学生的平时表现，充分调动学生的积极性。在考核中分为小组合作得分和个人贡献得分，每个学生必须表明自己在团队中的具体工作和贡献，在研讨环节引入学生自评和同伴互评机制，增强学生的参与感。这样的方式既强调了团队合作，又鼓励了学生独立思考，杜绝个别学生“混学分”的现象，培养了学生的集体荣誉感。

三、课程改革成效

实践证明，本课程的改革成效显著，教学质量得到明显提升。研讨式教学取得了很好的效果，学生的学习积极性明显提升，分组提交研究报告，并进行了口头汇报和讨论。部分学习小组的表现突出，不仅很好地完成了课题的文献调研和总结工作，还基于调研结果提出了提高器件可靠性的新结构并进行了器件仿真验证，已展现出较好的科研素养。案例教学实施后，学生纷纷反馈，对于复杂的器件失效分析流程有了直观而清晰的认识。实践环节更是深受学生欢迎。课程组举办的线上行业专家讲座，不仅吸引了本课程学生，还吸引到上百名微电子从业者参与，反响良好。课程改革对学生的长期发展也起到深远的影响。部分学生结束课程学习选择科研方向时，选择了半导体可靠性相关领域的研究课题，利用课程所学知识和思维方式进行更深入的科学研究，甚至发表了高水平的学术论文。

本课程的上述改革对于提高我校微电子相关研究生的培养质量具有重要的意义，对兄弟院校相关课程的开设也具有很好的参考价值。从培养学术型研究生的角度来看，研讨式教学提高了学生收集和阅读文献的能力，让他们学会如何跟踪研究热点、把握研究动向，从而培养良好的科研习惯。学生通过分组讨论、分组做报告等研讨环节，也激发了自己的创造力和想象力，很好地锻炼了团队合作精神和表达能力，提高了分析问题的能力，拓展了知识面。

从培养工程型研究生的角度来看，基于本专业历年毕业研究生的就业情况，可见既有深厚理论基础，又有丰富实践经验的研究生更受用人单位欢迎。案例教学和实践环节加深了学生对理论知识的理解，防止高校教育与产业界脱节，对于学生的就业乃至今后的长期发展都大有裨益。

参考文献

[1]李慧，宣兆龙.研究生“讨论课”教学的几点思考[J].长春理工大学学报（社会科学版），2011，24（11）：140-141.

[2]許金余，白二雷，闻名.研究生课堂教学中的研讨式教学模式探讨[J].西部素质教育，2017（14）：158.

[3]周可，陈棋.透视研究生课程研讨式教学“遇冷”现象——基于12名硕士研究生访谈的梳理分析[J].高等教育研究学报，2020，43（3）：40-45.

Exploration of the Teaching Reform in Semiconductor Reliability Engineering Course

REN Min， GAO Wei， ZHANG Bo

（School of Electronic Science and Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu， Sichuan 610054， China）

Abstract： Semiconductor Reliability Engineering is one of the important postgraduate courses for microelectronics-related majors in our university. In order to get rid of the disadvantages of the traditional classroom teaching model， the course group explored the interactive， practical and enlightening teaching methods suitable for this course on the basis of in-depth investigation and problem sorting， aiming at cultivating students innovative consciousness and ability. The interaction between teachers and students makes students change from passive learning to active learning. With the help of classic case analysis， the students are more active. The combination of theory and practice is achieved through the experimental observation and participation. The curriculum reform has effectively improved the quality of teaching and postgraduate training.

Key words： semiconductor reliability; teaching methods; graduate courses