“集成電路設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索

段倩倩 張文棟 史健芳 李朋偉 桑勝波

摘要：“集成電路設(shè)計基礎(chǔ)”課程是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)的一門必修課。詳細介紹了“集成電路設(shè)計基礎(chǔ)”傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，探討了教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)的優(yōu)化整合思路，構(gòu)建了高效的理論教學(xué)內(nèi)容框架與實踐教學(xué)流程，通過教學(xué)改革增強了學(xué)生課程理論與工程實踐相結(jié)合的能力。

關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計;傳統(tǒng)教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0091-02

信息產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)的戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，其發(fā)展水平是衡量國家綜合國力的一大重要標(biāo)志。[1]目前，集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對“集成電路設(shè)計基礎(chǔ)”課程提出了新的要求，傳統(tǒng)教學(xué)方法培養(yǎng)的設(shè)計人才已不能滿足產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。因此，為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，加強學(xué)生的就業(yè)能力，亟需對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和考核模式進行改革和創(chuàng)新。[2，3]

本文結(jié)合太原理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實際情況，綜合考慮行業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求和技術(shù)更新情況，提出了“集成電路設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革研究項目?；谡n堂理論教學(xué)、課外實驗教學(xué)及學(xué)生科技創(chuàng)新等方面，通過教學(xué)內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)及考核方法等多方面的改革，旨在為該專業(yè)學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力、理論聯(lián)系實踐能力、創(chuàng)新性思維意識、分析問題和解決問題能力，同時也為青年教師的教學(xué)科研提供平臺。

一、傳統(tǒng)教學(xué)方法

集成電路設(shè)計基礎(chǔ)是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)高年級本科生的一門專業(yè)必修課。在該課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路分析基礎(chǔ)、電子工藝學(xué)、模擬電子線路、數(shù)字電路和邏輯設(shè)計、高頻電子線路等課程，在此基礎(chǔ)上進一步學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計基礎(chǔ)知識，熟悉集成電路設(shè)計要點和制作過程，掌握主流集成電路設(shè)計和仿真軟件的使用方法，培養(yǎng)集成電路基本設(shè)計能力。[4]

在課堂教學(xué)和實踐過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和考核方式主要存在如下問題：一是本課程的講授內(nèi)容主要集中在Protel99 SE或Altium Designer等主流集成電路設(shè)計軟件的使用上，老師結(jié)合書本上的集成電路設(shè)計圖，講解如何利用Protel99 SE或Altium Designer等軟件設(shè)計電原理圖、電路板圖和創(chuàng)建原理圖元件庫、電路板圖元件庫等知識，對電路設(shè)計、仿真、印制電路板制作工藝等知識的講解涉及較少，課程內(nèi)容之間的相關(guān)性、相承性、互補性得不到有機整合，與前面所學(xué)的課程也缺乏聯(lián)系，學(xué)生被動接受知識，容易“知其然而不知其所以然”，缺乏對集成電路設(shè)計過程的宏觀認識和整體把握，無法培養(yǎng)學(xué)生的主導(dǎo)性和創(chuàng)新思維能力;二是對于這門實踐性比較強的課程，現(xiàn)有的實踐環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，導(dǎo)致實踐內(nèi)容陳舊，實踐方法單一，實踐模式呆板，大多僅僅是在電腦上對已經(jīng)成熟的電原理圖和電路板圖進行簡單的重復(fù)，以熟悉軟件的操作，學(xué)生不動手設(shè)計和仿真電路，不制作印制電路板，不對實際加工得到的電路進行測試和分析，陷入了局部的細節(jié)學(xué)習(xí)，學(xué)生不獨立分析問題、解決問題，自學(xué)能力、動手能力、理論聯(lián)系實踐能力都得不到有效的培養(yǎng);三是現(xiàn)有的課程考核方法過于單一片面，不能科學(xué)評價學(xué)生對課程的掌握程度，單純通過純理論、偏細節(jié)的考試和簡單的實踐考查進行課程考核顯然無法使學(xué)生進行知識的融會貫通，對知識僅停留在粗淺的概念理解上。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、實驗研究能力和工程應(yīng)用能力，應(yīng)當(dāng)對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容尤其是實踐環(huán)節(jié)及考核方式進行改革。[5]

二、課程改革實施建議

過去電路設(shè)計、印制電路板設(shè)計、電路測試分析等工作通常由不同的人員完成，隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對電路設(shè)計人員綜合素質(zhì)的要求越來越高，傳統(tǒng)的教學(xué)大綱重理論、輕實踐，將教學(xué)的重點放在了印制電路板的設(shè)計上，更多地關(guān)注如印制電路板元器件的布局、印制電路板的布線、Protel99 SE或Altium Designer軟件的使用等，學(xué)生無法建立系統(tǒng)的集成電路設(shè)計思路，不能形成比較體系的集成電路設(shè)計知識結(jié)構(gòu)，已經(jīng)不能適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，因此需要對課程的講授內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與改進，制訂符合實際的教學(xué)大綱，增加對該課程的電路設(shè)計和仿真、印制電路板制作工藝等內(nèi)容的講解，使學(xué)生形成完整的集成電路設(shè)計的知識體系。實踐環(huán)節(jié)應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生動手制作印制電路板，比較電路實際的測量結(jié)果和仿真結(jié)果的不同，分析原因，提高學(xué)生的實驗研究能力、理論聯(lián)系實踐能力、分析問題和解決問題能力。下面重點談一下實踐環(huán)節(jié)的改革。

1.電路設(shè)計和仿真

教師根據(jù)實際需要，提出設(shè)計指標(biāo)，學(xué)生參考有關(guān)資料，確定電路方案和元件參數(shù)，使用Multisim軟件（美國NI有限公司產(chǎn)品）交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。若不符合指標(biāo)，修改方案或參數(shù)，直至達到預(yù)定要求為止。

Multisim軟件具有非常完整、豐富的虛擬測試儀器，教師在設(shè)計指標(biāo)時應(yīng)在考慮學(xué)?，F(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上既使學(xué)生能充分認識和利用Multisim軟件強大的虛擬測試功能，又方便學(xué)生對最后加工得到的電路板進行測試。

2.印制電路板設(shè)計

在設(shè)計的電路達到預(yù)定的要求后就可以開始進行印制電路板的設(shè)計。Altium Designer（澳大利亞Altium有限公司產(chǎn)品）是目前行業(yè)中最為主流的印制電路板設(shè)計軟件，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案。

無論設(shè)計時軟件自帶的原理圖元件庫和電路板圖元件庫能不能滿足要求，學(xué)生都應(yīng)熟練掌握創(chuàng)建原理圖元件庫和新建庫元件、創(chuàng)建電路板圖元件庫與新建庫元件的方法。

3.印制電路板制作

教師應(yīng)對典型的印制電路板工廠生產(chǎn)流程（下料、內(nèi)層制作、壓合、鉆孔、鍍銅、外層制作、防焊漆印刷、文字印刷、表面處理、外形加工）進行講解，有條件的話可以組織同學(xué)去印制電路板制作工廠進行實地的參觀。

目前比較通用的可以在一般實驗條件下制作較高精度印制電路板的方法分別是熱轉(zhuǎn)印法和感光藍油法，教師可根據(jù)實際的實驗條件進行選擇。

熱轉(zhuǎn)印法首先需要將設(shè)計好的印制電路板通過激光打印機打印在熱轉(zhuǎn)印紙上，然后根據(jù)打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，并對覆銅板表面進行打亮，接著用電熨斗進行熱轉(zhuǎn)印工藝，熱轉(zhuǎn)印工藝完成后，將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時，最后進行鍍錫和鉆孔，完成印制電路板的制作。[6]

感光藍油法是將打印好的印制電路板打印在透明的膠片上，并根據(jù)打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，然后將稀釋的感光藍油（感光藍油∶水=1∶3，體積比）均勻地涂在覆銅板上，并用電吹風(fēng)吹干，接著用打印好的膠片蓋住覆銅板，用有機玻璃壓在上面，然后放在紫光燈下曝光約150秒，顯影后將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時，最后進行脫模，完成印制電路板的制作。[6]

4.電路測試和分析

印制電路板制作完成后，將元器件焊好后對電路的輸出結(jié)果進行測試，若結(jié)果與理論的仿真結(jié)果偏差較大，分析原因，撰寫相應(yīng)的實踐報告。

三、考核方式改革

電路CAD 課程是一門更多面向應(yīng)用、實踐的課程，課程考核應(yīng)將考查的重點放在學(xué)生的自學(xué)能力、實際的動手能力、分析和解決問題能力的考查上，降低純理論、局部細節(jié)考查的難度，真正做到課程理論性與工程實踐性相結(jié)合。

本課程的考核分為理論測驗成績、實踐環(huán)節(jié)成績兩大部分。總成績按以下公式計算：總成績=理論測驗成績×30%+實踐環(huán)節(jié)成績×70%。實踐環(huán)節(jié)中應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，由于實驗條件的局限和差異，成績考核也不應(yīng)僅取決于最后制作得到的電路的實際測量結(jié)果和之前仿真值的偏差大小，而應(yīng)該綜合考慮整個實踐過程中學(xué)生動手能力、分析問題和解決問題能力、對集成電路整體設(shè)計思路的宏觀認識和整體把握程度等。

教師還可設(shè)置課外科技創(chuàng)新活動，組織學(xué)有余力的同學(xué)進行諸如利用51單片機、DSP等進行簡單的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、比較兩種印制電路板制作方法等活動，并在實踐考核打分時給予考慮。

參考文獻：

[1]葉波，趙倩.“大規(guī)模集成電路設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2010，（15）：104-106.

[2]何濤，申桂英，蘇忠根，等.獨立學(xué)院《電子電路CAD》課程改革探索與實踐[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2012，（1）：23-25.

[3]岳亞杰，楊慧晶，張宏國.集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2013，（3）：62-63.

[4]施敏，孫玲，徐晨，等.淺談“集成電路版圖CAD”課程建設(shè)[J].中國集成電路，2007，（12）：59-62.

[5]張翼宇.《電路CAD》課程的教學(xué)探討[J].四川理工學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2007，22（S1）：64-87.

[6]周旭.印制電路板設(shè)計制造技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，

2012.

（責(zé)任編輯：王祝萍）