集成電路版圖CAD課程實踐教學的研究

施 敏 張振娟 黃 靜 朱友華 張 威

南通大學 江蘇南通 226019

目前，高速發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)使IC設計人才炙手可熱，而集成電路版圖CAD技術是IC設計人才必須具備的重要技能之一。集成電路版圖CAD課程是我校電子科學與技術專業(yè)和集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)重要的專業(yè)主干課，開設在大三第二學期，并列入我校第一批重點課程建設項目。本課程的實踐教學是教學活動的重要組成部分，它是對理論教學的驗證、補充和拓展，具有較強的直觀性和操作性，旨在培養(yǎng)學生的實踐動手能力、組織管理能力、創(chuàng)新能力和服務社會能力。結合幾年來的教學實踐，筆者從本課程實驗、課程設計、課外科技競賽等實踐環(huán)節(jié)的設計工具、教學內容設計、教學方法和教學手段、師資隊伍建設以及考核管理等方面進行總結。探討本課程實踐教學模式可加強學生應用理論知識解決實際問題的能力，提升就業(yè)競爭力，對他們成為IC設計人才具有十分重要的意義。

1 版圖設計工具

集成電路CAD技術貫穿于集成電路整個產(chǎn)業(yè)鏈(設計、制造、封裝和測試)，集成電路版圖設計環(huán)節(jié)同樣離不開CAD工具支持。目前業(yè)內主流版圖設計工具有Cadence公司的Virtuoso，Mentor Graphics公司的IC Flow，Springsoft公司的Laker_L3，Tanner Research公司的L_Edit和北京華大九天公司的Aether等。這些版圖設計工具的使用流程大同小異，但在自動化程度、驗證規(guī)模、驗證速度等方面有所差異，在售價方面，國外版圖設計工具貴得驚人，不過近年來這些公司相繼推出大學銷售計劃，降低了版圖設計工具的價格。高校選擇哪種版圖設計工具進行教學，則視條件而定。我校電子信息學院有2個省級實驗教學示范中心和1個省部共建實驗室，利用這些經(jīng)費，我們購買了部分業(yè)內一流的EDA工具進行教學和科研。目前，我校版圖設計工具有北京華大九天公司的Aether和Springsoft公司的Laker_L3。

2 兩種相輔相成的實驗教學模式

我校集成電路版圖CAD課程共48學時(理論講授24學時、實驗24學時)，實驗環(huán)節(jié)是本課程教學的重要部分，在有限的實驗教學時間內既要完成教學內容，又要培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，需要對實驗教學模式進行改革和創(chuàng)新。本課程實驗教學的目的與要求：與理論教學相銜接，熟練使用版圖設計工具，學會基本元器件、基本數(shù)字門電路、基本模擬單元的版圖設計，為本課程后續(xù)的課程設計環(huán)節(jié)做準備。緊緊圍繞“一個規(guī)則(版圖幾何設計規(guī)則)、兩個流程(版圖編輯流程和驗證流程)、四個問題”這條主線設計實驗內容[1,2]。要解決的4個問題分別是：(1)版圖設計前需要做哪些準備工作？(2)如何理解一個元器件(晶體管、電阻、電容、電感)的版圖含義[3,4]？(3)如何修改版圖中的幾何設計規(guī)則檢查錯誤？(4)如何修改版圖和電路圖一致性錯誤？表1為本課程實驗內容、對應學時及對應知識點。筆者設計了兩種相輔相成的實驗教學模式：系統(tǒng)化實驗教學模式和實例化實驗教學模式。系統(tǒng)化實驗教學從有系統(tǒng)的、完整的角度出發(fā)設計了實驗教學內容，如設計實驗3(數(shù)字基本門電路版圖閱讀)時，安排了5學時，采用3種版圖閱讀方式：讀現(xiàn)有版圖庫中的單元電路版圖、顯微鏡下讀版圖和讀已解剖的芯片版圖照片。針對同一內容，采用不同形式，彼此類比，加深印象，既有實物，又有動手操作，增強了直觀性和感性認識。又如設計實驗5(模擬單元MOS差分對管版圖設計)時，安排了5學時，從器件匹配的重要性入手，給出MOS差分對管的電路圖，講解具體器件的形狀、方向、連接對匹配的影響，特別是工藝過程引入器件的失配和誤差，對MOS差分對管的3種版圖分布形式(管子方向不對稱形式、垂直對稱水平柵極形式、垂直對稱垂直柵極形式)進行逐一分析，指出支路電流大小對金屬線的寬度要求，對較大尺寸的對管，采用“同心布局”結構。實例化實驗教學先提出目標實例，圍繞該實例，設計具體步驟，教師先示范，學生再模仿，如設計實驗7(集成無源器件版圖設計)時，由于集成電阻、電容和電感種類很多，不能面面俱到，要求只對多晶硅電阻、平板多晶硅電容和金屬多匝螺旋形電感等常用元件進行版圖分析和設計。課堂實驗的內容和課時是有限的，為此我們設置了課外實驗項目，感興趣的學生選取一些實驗項目自己完成，指導教師定期檢查。學院開放了EDA實驗中心(2007年該中心被遴選為省級實驗教學示范中心建設點，2009年12月通過省級驗收)，學生對本課程很感興趣，課外使用EDA實驗室進行自主實驗相當踴躍。通過上述的實驗教學方法，特別是課外實驗項目的訓練，學生分析問題、解決問題的能力和科研素養(yǎng)得到了提高。

表1 課程實驗內容、對應學時及對應知識點

表1 (續(xù))

3 改革課程設計環(huán)節(jié)

課程設計是本課程培養(yǎng)學生工程應用能力的綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，時間2周，集中指導，提前1個月發(fā)給學生任務書和指導書，每個班配備2名指導教師，注重過程控制。筆者在教學內容、考核等方面進行了改革和創(chuàng)新：在教學內容設計上，給出了必做題和選做題，在選做題中要求每位學生完成數(shù)字電路版圖1題和模擬電路版圖1題，具體題目由抽簽決定，做到1人1題，避免學生抄襲?？己顺煽冇烧n程設計成果(占50%)、小論文(占30%)、答辯(占20%)三方面綜合給出。以往的課程設計報告改為撰寫科技小論文，包括中英文題目、中英文摘要及關鍵詞、引言、電路原理與分析、版圖設計過程、分析與討論、結束語和參考文獻，讓學生學習如何撰寫科技論文。精選優(yōu)質小論文放在本課程網(wǎng)上學習資料庫里，供學生相互傳閱和學習。課程設計答辯具體要求參照畢業(yè)設計(論文)答辯要求，包括準備PPT講稿、講解5分鐘、指導教師點評等過程，每位學生至少需要10分鐘時間。學生對課程設計答辯反映相當好，鍛煉了語言組織和口頭表達能力，而且相互間可以直接交流和學習。我們還挑選課程設計成績優(yōu)秀的學生參加校內集成電路版圖設計大賽。雖然課程設計的改革和實踐需要教師付出很多精力和時間，但我們無怨無悔，學生的認可和進步是我們最大的收獲。

4 精心指導學生參加課外科技競賽

目前我校學生參加的集成電路版圖設計競賽有校級版圖設計大賽以及行業(yè)協(xié)會和企業(yè)組織的版圖設計競賽等。由校教務處主辦，電子信息學院承辦的南通大學版圖設計大賽是校級三大電子設計競賽之一，每年8月底舉行，邀請集成電路設計公司一線設計人員和半導體協(xié)會專業(yè)人士擔任評委，增加了競賽的專業(yè)性和公正性，目前已經(jīng)舉辦了6屆，反響不錯。從校級版圖設計大賽獲獎者中挑選一部分學生參加行業(yè)協(xié)會和企業(yè)組織的版圖設計競賽，如蘇州半導體協(xié)會主辦的集成電路版圖設計技能競賽、北京華大九天公司主辦的“華大九天杯”集成電路設計大賽，其中“華大九天杯”集成電路設計大賽將挑選優(yōu)秀獲獎學生參加華潤上華的免費流片，學生經(jīng)歷從電路設計、版圖設計及驗證、流片到測試各個環(huán)節(jié)，提高了綜合訓練能力。

5 加強師資隊伍建設

要提高課程實踐環(huán)節(jié)的教學質量，關鍵是指導教師要思想素質好，專業(yè)理論知識強，科研水平高，因此我們著力建立一支年齡結構、職稱合理的實踐教學隊伍。目前很多年輕教師是從校園走向校園，畢業(yè)后直接上崗指導學習實踐，缺少工程實踐經(jīng)歷和經(jīng)驗。為了提高教師自身的業(yè)務水平，加強對年輕教師的培養(yǎng)，近十年來，我院每年暑假舉行集成電路CAD技術實踐培訓班，由經(jīng)驗豐富的教學、科研一線教師主講；不定期地邀請一流IC設計公司一線設計人員來院開設講座；同時挑選年輕骨干教師到一流IC設計公司學習和實踐，時間至少半年以上；現(xiàn)已聘請IC設計公司一線設計人員6人為兼職教師，指導課程設計和畢業(yè)設計。集成電路CAD技術日新月異，課程實踐環(huán)節(jié)師資隊伍建設必須與時俱進。

6 結束語

我校電子科學與技術專業(yè)、集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)2012年被評為省重點建設專業(yè)，也是江蘇省首批培養(yǎng)卓越工程師的專業(yè)。集成電路版圖設計是這兩個專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃的重要內容之一，總結和探討集成電路版圖CAD課程實踐教學意義重大，今后我們要繼續(xù)推進該課程實踐環(huán)節(jié)的建設與改革，不斷探索，為我國集成電路設計人才的培養(yǎng)而努力奮斗。

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

[2]施敏,徐晨.基于九天EDA系統(tǒng)的集成電路版圖設計[J].南通工學院學報:自然科學版,2004,3(4):101-103.

[3]Christopher Saint,Judy Sanit.IC Mask Design:Essential Layout Techniques[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]Alan Hastings.The Art of Analog Layout[M].Second Edition.北京:電子工業(yè)出版社,2007.