北方工業(yè)大學信息工程學院 鞠家欣 鮑嘉明 楊 兵

《集成電路版圖設計》課程教學改革與探索

北方工業(yè)大學信息工程學院 鞠家欣 鮑嘉明 楊 兵

《集成電路版圖設計》課程對微電子專業(yè)學生理解電路設計的概念和工藝技術(shù)的認識，起到承前啟后的作用，對此課程教學方法的研究有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

集成電路版圖；教學方法；改革

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

一、突出實踐，理論配合

傳統(tǒng)的《集成電路版圖設計》課程采取理論教育優(yōu)先，學生對于版圖的基本理論和設計規(guī)則非常熟悉，但動手實踐能力缺乏培養(yǎng)，往往在學生畢業(yè)后進入集成電路設計企業(yè)還需二次培訓版圖設計能力，造成了嚴重的人力資源浪費。這是由于沒有清晰的認識《集成電路版圖設計》課程的性質(zhì)，造成對它的講授還是采取傳統(tǒng)教學方式：老師講，學生聽，偏重理論，缺乏實踐，影響到學生在工作中面臨實際設計電路能力的發(fā)揮?！都呻娐钒鎴D設計》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，課程的綜合性和實踐性無法得到體現(xiàn)，違背了課程應有的自身規(guī)律，教學效果和實用意義不能滿足工業(yè)界的要求。我們在重新思考課程的本質(zhì)特點后，采取了實踐先行，理論配合的教學方法，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設計光刻用的掩膜圖形，實現(xiàn)芯片設計的最終輸出。版圖是一組相互套合的圖形，各層版圖相應于不同的工藝步驟，每一層版圖使用不同的圖案來表示。我們首先講授版圖設計工具EDA軟件的使用，讓學生掌握EDA軟件的每一個主要功能，從圖形的選擇、材料的配置，讓學生從感性角度認識實際的版圖設計是如何開展的，每一個步驟是如何使用軟件完成的，整體芯片版圖設計的流程有哪些規(guī)定，學生此時設計的版圖可能不是很精確和完美，但學生對于什么是版圖和如何設計版圖有了初步的感性認識，建立起版圖設計的基本概念，對于后續(xù)的學習奠定了牢實的實踐基礎(chǔ)，此時再去講授版圖設計理論知識，學生更能理解深層的工藝知識和半導體理論，真正做到了知行合一，實踐先行的教育理念，對學生能力的培養(yǎng)大有裨益。

二、注重細節(jié)，加強引導

傳統(tǒng)方式講授《集成電路版圖設計》理論占大部分時間，學生知道二極管、晶體管、場效應管、電阻、電容等基本元器件的工作原理和構(gòu)成要素，但是在版圖設計中，這些元器件為什么要這樣設計，其實內(nèi)心中充滿著疑惑和不解。針對學生的疑惑，我們從工藝細節(jié)入手來解決這個問題。作為集成電路版圖設計者，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。版圖設計的規(guī)則也是由工藝來確定的，掌握了工藝也就掌握了版圖設計的鑰匙。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、長度、間距的尺寸提醒學生要記憶，不同芯片生產(chǎn)廠的工藝對比學習和研究，學生在這一系列規(guī)則的學習過程中，慢慢理解熟悉了工藝規(guī)則文件的組織構(gòu)成及學習要點，能夠舉一反三的在不同工藝規(guī)則下，設計同一種元器件的版圖，即使電路元器件的數(shù)量巨大，電路拓撲關(guān)系復雜，在老師耐心的講解下，學生也能夠依據(jù)工藝規(guī)則設計出符合要求的版圖，這都是在理解了工藝規(guī)則細節(jié)的基礎(chǔ)上完成的。所以，關(guān)注細節(jié)，加強引導，是提高學生學習效果的一個重要方法。

三、完善考核機制，爭取比賽練兵

學生成績的提高，合理完善的考核機制不可或缺。以往《集成電路版圖設計》課程的考核主要是理論知識作業(yè)和課程報告，學生的學習效果和實際動手能力沒有得到考核，造成不能全面評價學生的學習成績。我們采取項目形式，全方位考核學生的學習效果。根據(jù)知識點，將通用模擬電路分成五大類，每個大類提取出經(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)驗豐富的老師把它們的版圖全部設計出來，作為庫單元放在服務器中供學生參考。在學生充分理解庫單元實例的基礎(chǔ)上，將以往設計的一些實用電路布置給學生，要求在規(guī)定的時間內(nèi)，設計出合格的版圖，以此作為最終的考核結(jié)果。學生在學習課程期間，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)定的時間內(nèi)設計出版圖，這極大的促進了他們學習的積極性和時間觀念。學生在設計版圖的過程中，會遇到多種問題，他們會采取問老師答疑，和同學討論的多種方式解決，不僅能督促他們平時上課認真聽講，而且對遇到的問題也能多角度思考，最重要的是他們親自動手設計版圖，將工藝、電路、器件綜合考慮，在約定的時間內(nèi)能力得到極大提高。老師根據(jù)學生上傳至服務器中設計的不同項目版圖打分，而且將每個項目的得分出具詳細的報告，對學生的成績進行點評。學生通過查閱報告，能夠知道課程學習的缺點和得分項，為下一次提高設計成績是一個很好的參考。除了日常學習設計版圖項目，學生可以爭取參加微電子專業(yè)的一些比賽，通過比賽體會一些具有挑戰(zhàn)性的版圖設計項目，來提高學生在實際場景下如何發(fā)揮設計能力和項目組織能力，為他們未來進入職場從事版圖設計工作奠定堅實的專業(yè)能力和實際解決問題能力。

四、總結(jié)

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

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

[2]蔡懿慈.超大規(guī)模集成電路設計導論[M].北京:清華大學出版社,2005(10.

[3]編委會.最新高等院校實驗室建設與管理及教學指導手冊[M].北京:中國教育出版社,2006(11).

北方工業(yè)大學教育教學改革和課程建設基金。

本文得到北方工業(yè)大學教育教學改革和課程建設基金贊助，在此表示感謝！

鞠家欣（1972—），黑龍江雙城人，碩士，講師，研究方向：集成電路設計與測試技術(shù)。