《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革與探索

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 鞠家欣 鮑嘉明 楊 兵

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革與探索

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 鞠家欣 鮑嘉明 楊 兵

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程對(duì)微電子專業(yè)學(xué)生理解電路設(shè)計(jì)的概念和工藝技術(shù)的認(rèn)識(shí)，起到承前啟后的作用，對(duì)此課程教學(xué)方法的研究有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

集成電路版圖；教學(xué)方法；改革

集成電路版圖設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，版圖質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)芯片的性能和經(jīng)濟(jì)性，因此，如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)好集成電路版圖設(shè)計(jì)技術(shù)，具備成為合格的版圖設(shè)計(jì)工程師的基本潛質(zhì)，是擺在微電子專業(yè)老師面前的一個(gè)普遍難題。如何破解這個(gè)難題，我們做了以下探索。

一、突出實(shí)踐，理論配合

傳統(tǒng)的《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程采取理論教育優(yōu)先，學(xué)生對(duì)于版圖的基本理論和設(shè)計(jì)規(guī)則非常熟悉，但動(dòng)手實(shí)踐能力缺乏培養(yǎng)，往往在學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)還需二次培訓(xùn)版圖設(shè)計(jì)能力，造成了嚴(yán)重的人力資源浪費(fèi)。這是由于沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程的性質(zhì)，造成對(duì)它的講授還是采取傳統(tǒng)教學(xué)方式：老師講，學(xué)生聽，偏重理論，缺乏實(shí)踐，影響到學(xué)生在工作中面臨實(shí)際設(shè)計(jì)電路能力的發(fā)揮?！都呻娐钒鎴D設(shè)計(jì)》是一門承接系統(tǒng)、電路、工藝、EDA技術(shù)的綜合性課程，如果按照傳統(tǒng)方式授課，課程的綜合性和實(shí)踐性無(wú)法得到體現(xiàn)，違背了課程應(yīng)有的自身規(guī)律，教學(xué)效果和實(shí)用意義不能滿足工業(yè)界的要求。我們?cè)谥匦滤伎颊n程的本質(zhì)特點(diǎn)后，采取了實(shí)踐先行，理論配合的教學(xué)方法，具體如下：集成電路版圖是根據(jù)邏輯與電路功能和性能要求，以及工藝水平要求來(lái)設(shè)計(jì)光刻用的掩膜圖形，實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)的最終輸出。版圖是一組相互套合的圖形，各層版圖相應(yīng)于不同的工藝步驟，每一層版圖使用不同的圖案來(lái)表示。我們首先講授版圖設(shè)計(jì)工具EDA軟件的使用，讓學(xué)生掌握EDA軟件的每一個(gè)主要功能，從圖形的選擇、材料的配置，讓學(xué)生從感性角度認(rèn)識(shí)實(shí)際的版圖設(shè)計(jì)是如何開展的，每一個(gè)步驟是如何使用軟件完成的，整體芯片版圖設(shè)計(jì)的流程有哪些規(guī)定，學(xué)生此時(shí)設(shè)計(jì)的版圖可能不是很精確和完美，但學(xué)生對(duì)于什么是版圖和如何設(shè)計(jì)版圖有了初步的感性認(rèn)識(shí)，建立起版圖設(shè)計(jì)的基本概念，對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定了牢實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，此時(shí)再去講授版圖設(shè)計(jì)理論知識(shí)，學(xué)生更能理解深層的工藝知識(shí)和半導(dǎo)體理論，真正做到了知行合一，實(shí)踐先行的教育理念，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)大有裨益。

二、注重細(xì)節(jié)，加強(qiáng)引導(dǎo)

傳統(tǒng)方式講授《集成電路版圖設(shè)計(jì)》理論占大部分時(shí)間，學(xué)生知道二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、電容等基本元器件的工作原理和構(gòu)成要素，但是在版圖設(shè)計(jì)中，這些元器件為什么要這樣設(shè)計(jì)，其實(shí)內(nèi)心中充滿著疑惑和不解。針對(duì)學(xué)生的疑惑，我們從工藝細(xì)節(jié)入手來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。作為集成電路版圖設(shè)計(jì)者，首先要熟悉工藝條件和期間物理，才能確定晶體管的具體尺寸、連線的寬度、間距、各次掩膜套刻精度等。版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則也是由工藝來(lái)確定的，掌握了工藝也就掌握了版圖設(shè)計(jì)的鑰匙。我們將通用工藝文件的每一條規(guī)則向?qū)W生講解，通用元器件的規(guī)則整理出它們的共性，最小寬度、長(zhǎng)度、間距的尺寸提醒學(xué)生要記憶，不同芯片生產(chǎn)廠的工藝對(duì)比學(xué)習(xí)和研究，學(xué)生在這一系列規(guī)則的學(xué)習(xí)過(guò)程中，慢慢理解熟悉了工藝規(guī)則文件的組織構(gòu)成及學(xué)習(xí)要點(diǎn)，能夠舉一反三的在不同工藝規(guī)則下，設(shè)計(jì)同一種元器件的版圖，即使電路元器件的數(shù)量巨大，電路拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，在老師耐心的講解下，學(xué)生也能夠依據(jù)工藝規(guī)則設(shè)計(jì)出符合要求的版圖，這都是在理解了工藝規(guī)則細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上完成的。所以，關(guān)注細(xì)節(jié)，加強(qiáng)引導(dǎo)，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的一個(gè)重要方法。

三、完善考核機(jī)制，爭(zhēng)取比賽練兵

學(xué)生成績(jī)的提高，合理完善的考核機(jī)制不可或缺。以往《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程的考核主要是理論知識(shí)作業(yè)和課程報(bào)告，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)際動(dòng)手能力沒(méi)有得到考核，造成不能全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)。我們采取項(xiàng)目形式，全方位考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)，將通用模擬電路分成五大類，每個(gè)大類提取出經(jīng)典的電路10種，使用主流芯片加工廠的生產(chǎn)工藝，由經(jīng)驗(yàn)豐富的老師把它們的版圖全部設(shè)計(jì)出來(lái)，作為庫(kù)單元放在服務(wù)器中供學(xué)生參考。在學(xué)生充分理解庫(kù)單元實(shí)例的基礎(chǔ)上，將以往設(shè)計(jì)的一些實(shí)用電路布置給學(xué)生，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)出合格的版圖，以此作為最終的考核結(jié)果。學(xué)生在學(xué)習(xí)課程期間，可以接觸到不同工藝、不同結(jié)構(gòu)的多種類電路，而且必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出版圖，這極大的促進(jìn)了他們學(xué)習(xí)的積極性和時(shí)間觀念。學(xué)生在設(shè)計(jì)版圖的過(guò)程中，會(huì)遇到多種問(wèn)題，他們會(huì)采取問(wèn)老師答疑，和同學(xué)討論的多種方式解決，不僅能督促他們平時(shí)上課認(rèn)真聽講，而且對(duì)遇到的問(wèn)題也能多角度思考，最重要的是他們親自動(dòng)手設(shè)計(jì)版圖，將工藝、電路、器件綜合考慮，在約定的時(shí)間內(nèi)能力得到極大提高。老師根據(jù)學(xué)生上傳至服務(wù)器中設(shè)計(jì)的不同項(xiàng)目版圖打分，而且將每個(gè)項(xiàng)目的得分出具詳細(xì)的報(bào)告，對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。學(xué)生通過(guò)查閱報(bào)告，能夠知道課程學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)和得分項(xiàng)，為下一次提高設(shè)計(jì)成績(jī)是一個(gè)很好的參考。除了日常學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)版圖項(xiàng)目，學(xué)生可以爭(zhēng)取參加微電子專業(yè)的一些比賽，通過(guò)比賽體會(huì)一些具有挑戰(zhàn)性的版圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目，來(lái)提高學(xué)生在實(shí)際場(chǎng)景下如何發(fā)揮設(shè)計(jì)能力和項(xiàng)目組織能力，為他們未來(lái)進(jìn)入職場(chǎng)從事版圖設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)的專業(yè)能力和實(shí)際解決問(wèn)題能力。

四、總結(jié)

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程是一門兼具理論基礎(chǔ)和實(shí)踐鍛煉想結(jié)合的課程，對(duì)它的講授不僅需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需合理的實(shí)踐環(huán)節(jié)配合，才能取得良好的教學(xué)效果。

[1]Christopher Saint/Judy Saint.集成電路版圖基礎(chǔ)-實(shí)用指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006(10).

[2]蔡懿慈.超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005(10.

[3]編委會(huì).最新高等院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理及教學(xué)指導(dǎo)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)教育出版社,2006(11).

北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金。

本文得到北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金贊助，在此表示感謝！

鞠家欣（1972—），黑龍江雙城人，碩士，講師，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)。