PDCA循環(huán)在微電子器件設(shè)計實(shí)踐課程中的應(yīng)用

大連東軟信息學(xué)院電子工程系 孫曉東 宋文斌 宗 楊 王 莉

0 引言

2017年工業(yè)和信息化部軟件與集成電路促進(jìn)中心發(fā)布的《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(2016-2017)》介紹，集成電路融合了電子信息、物理、化學(xué)、材料自動工程等40多種科學(xué)技術(shù)及工程領(lǐng)域，集成電路人才，特別是高端人才需要具備綜合知識背景。目前需要70萬人投入到該產(chǎn)業(yè)中來，人才的不足導(dǎo)致我國集成電路產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新緩慢。一方面各大高校加強(qiáng)微電子科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)，今年3月發(fā)布的《2017年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》顯示，有6所高校增加了微電子工程專業(yè)，其中包括同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、湖南理工學(xué)院、河南師范大學(xué)、重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院。另一方面，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式也暴露出自身的問題。學(xué)生僅僅掌握理論知識，實(shí)踐能力薄弱，自主學(xué)習(xí)意識欠缺，創(chuàng)新性不夠，同企業(yè)人才需求相差較大。

本文在微電子器件設(shè)計實(shí)踐課程中引入企業(yè)的質(zhì)量管理PDCA（（Plan-Do-Check-Act）循環(huán)，將企業(yè)管理模式引入正常教學(xué)，旨在提高學(xué)生自主思考、改進(jìn)和創(chuàng)新等意識。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式是一種以老師為中心、書本為中心和課堂為中心的教學(xué)模式。這種教學(xué)模式往往會形成了老師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面，可以看出傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷是作為認(rèn)知主體的學(xué)生在整個教學(xué)過程中都始終處于被動地接受知識的地位，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性被忽視，甚至被壓抑。很顯然，這與微電子領(lǐng)域?qū)θ瞬排囵B(yǎng)的要求是不相符合的，這種模式擔(dān)負(fù)不了培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)造性人才的重?fù)?dān)，因此，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，建立適應(yīng)企業(yè)需求的課堂模式勢在必行。

2 PDCA應(yīng)用

PDCA循環(huán)的含義是將質(zhì)量管理分為四個階段，即計劃（plan）、執(zhí)行（do）、檢查（check）、處理（action）。在質(zhì)量管理活動中，要求把各項工作按照計劃制定、計劃實(shí)施、檢查實(shí)施效果，然后將成功的納入標(biāo)準(zhǔn)，不成功的留待下一循環(huán)去解決的工作方法，這是質(zhì)量管理的基本方法，也是企業(yè)管理各項工作的一般規(guī)律。將該管理方法應(yīng)用到微電子實(shí)踐課程中將有助于學(xué)生自主推動實(shí)踐項目，提高實(shí)踐能力。

2.1 Plan計劃

計劃階段，主要是分析現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)問題。強(qiáng)調(diào)的是對現(xiàn)狀的把握和發(fā)現(xiàn)問題的意識、能力，發(fā)現(xiàn)問題是解決問題的第一步，是分析問題的條件。其中課題是切入點(diǎn)，明確主題后需要設(shè)定一個活動目標(biāo)，也就是規(guī)定活動所要做到的內(nèi)容和達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)可以是定性+定量化的，能夠用數(shù)量來表示的指標(biāo)要盡可能量化，不能用數(shù)量來表示的指標(biāo)也要明確。目標(biāo)是用來衡量實(shí)驗效果的指標(biāo)，所以設(shè)定應(yīng)該有依據(jù)，要通過充分的現(xiàn)狀調(diào)查和比較來獲得。接著需要找出各種方案并確定最佳方案，區(qū)分主因和次因是最有效解決問題的關(guān)鍵。有了好的方案，其中的細(xì)節(jié)也不能忽視，計劃的內(nèi)容如何完成好，需要將方案步驟具體化，逐一制定對策，明確回答出方案中的"5W1H"即:為什么制定該措施(Why)、達(dá)到什么目標(biāo)(What)、在何處執(zhí)行(Where)、由誰負(fù)責(zé)完成(Who)、什么時間完成(When)、如何完成(How)。使用過程決策程序圖或流程圖，方案的具體實(shí)施步驟將會得到分解。

在微電子實(shí)踐項目中，項目只給出需求，即要求學(xué)生設(shè)計一款VDMOS（垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體：Vertically Double-diffused Metal Oxide Semiconductor）器件。學(xué)生分組組成團(tuán)隊之后，首先需要進(jìn)行大量的調(diào)研，了解什么是VDMOS器件，該器件的結(jié)構(gòu)，工作原理，性能指標(biāo)及市場需求等信息。然后根據(jù)調(diào)研結(jié)果，制定VDMOS器件性能指標(biāo)，再根據(jù)制定指標(biāo)進(jìn)行任務(wù)細(xì)化，采取任務(wù)分解方式，制定WBS（Work Break-down System），將任務(wù)細(xì)化，細(xì)化到每個人每天需要完成的任務(wù)，制定每個任務(wù)完成的時間點(diǎn)，便于后續(xù)項目的跟蹤和管理。

2.2 Do實(shí)施

實(shí)施階段按照預(yù)定的計劃、標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)已知的內(nèi)外部信息，設(shè)計出具體的行動方法、方案，進(jìn)行布局。再根據(jù)設(shè)計方案和布局，進(jìn)行具體操作，努力實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過程。

在這個階段，學(xué)生需要根據(jù)計劃階段制定的WBS來進(jìn)行具體實(shí)施。在本次實(shí)踐項目中，學(xué)生首先要根據(jù)計劃中的VDMOS性能指標(biāo)，根據(jù)VDMOS原理來進(jìn)行器件的參數(shù)設(shè)計，參數(shù)設(shè)計后需要設(shè)計出工藝流程圖，接下來利用TCAD軟件進(jìn)行VDMOS器件的工藝仿真，工藝仿真中涉及到半導(dǎo)體工藝中的氧化、離子注入、擴(kuò)散、刻蝕等工藝。工藝完成制備出VDMOS器件后，繼續(xù)用TCAD軟件進(jìn)行器件的性能仿真。

2.3 Check檢查

檢查階段確認(rèn)實(shí)施方案是否達(dá)到了目標(biāo)。方案是否有效、目標(biāo)是否完成，需要進(jìn)行效果檢查后才能得出結(jié)論。將采取的對策進(jìn)行確認(rèn)后，對采集到的證據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，把完成情況同目標(biāo)值進(jìn)行比較，看是否達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。如果沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果時，應(yīng)該確認(rèn)是否嚴(yán)格按照計劃實(shí)施對策，如果是，就意味著對策失敗，那就要重新進(jìn)行最佳方案的確定。

在檢查階段，學(xué)生需要檢查VDMOS器件的性能仿真結(jié)果。比如學(xué)生計劃設(shè)計的VDMOS器件是耐高壓，擊穿電壓達(dá)到600V，但是器件仿真出的結(jié)果只有300V，可見該仿真結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

2.4 Act處置

處置階段主要進(jìn)行問題總結(jié)，處理遺留問題。所有問題不可能在一個PDCA循環(huán)中全部解決，遺留的問題會自動轉(zhuǎn)進(jìn)下一個PDCA循環(huán)，如此，周而復(fù)始，螺旋上升。

在處置階段，需要全體成員根據(jù)檢查階段的結(jié)果進(jìn)行分析。在上述例子中，實(shí)際仿真出的擊穿電壓僅有300V同預(yù)計的600V有較大偏差，項目組成員需要從參數(shù)設(shè)計，工藝流程，工藝仿真，器件仿真等幾個方面入手，分析每一步的實(shí)施過程，找出問題出現(xiàn)的原因。

在該例子中出現(xiàn)擊穿電壓偏差的原因有可能是在參數(shù)計算的時候就出現(xiàn)了問題，這種問題將直接導(dǎo)致?lián)舸╇妷翰环弦?。也有可能是工藝流程設(shè)計的時候不正確，也有可能在工藝仿真的時候出現(xiàn)的問題，導(dǎo)致流程單中的工藝步驟沒有被正確的模擬，還有可能就是器件仿真的時候沒有進(jìn)行正確的仿真。這幾個階段都要一個一個確認(rèn)，直到找到影響擊穿電壓出現(xiàn)偏差的原因。

學(xué)生在找出問題發(fā)生原因后需要進(jìn)一步分析發(fā)生這樣問題的原因，進(jìn)行整理并列出解決辦法，以便于在下一個PDCA循環(huán)中進(jìn)行實(shí)施。對于解決方案效果不顯著的或者實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題，再進(jìn)行總結(jié)，直至最終器件的性能滿足設(shè)計的目標(biāo)，該項目能夠順利完成。

3 效果分析

通過在微電子器件設(shè)計實(shí)踐課程中引入PDCA循環(huán)管理，按照企業(yè)流程進(jìn)行項目的管理，通過制定計劃，實(shí)施，測試，分析這四個階段，學(xué)生都需要積極參與到項目中，學(xué)生自主參與項目的積極性增強(qiáng)。在計劃中積極調(diào)研項目，制定計劃。實(shí)施階段能夠按照計劃推進(jìn)各自的工作。檢查和處置階段，進(jìn)行問題的分析，使學(xué)生的思想方法和工作步驟更加條理化、系統(tǒng)化、圖像化和科學(xué)化。

4 結(jié)論

本文在微電子器件設(shè)計實(shí)踐課程中引入了企業(yè)中的PDCA循環(huán)管理流程，學(xué)生自主設(shè)計并完成VDMOS器件。將企業(yè)管理流程引入傳統(tǒng)的教學(xué)中，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能動性，這將有助于減少學(xué)生同企業(yè)人才需求的差距。該教學(xué)方式目前在微電子器件設(shè)計實(shí)踐課程中取得良好的效果，將會被推廣到微電子其他實(shí)踐課程中。