施 敏 張振娟 黃 靜 朱友華 張 威

南通大學(xué) 江蘇南通 226019

目前，高速發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)使IC設(shè)計人才炙手可熱，而集成電路版圖CAD技術(shù)是IC設(shè)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(xué)與技術(shù)專業(yè)和集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)重要的專業(yè)主干課，開設(shè)在大三第二學(xué)期，并列入我校第一批重點(diǎn)課程建設(shè)項目。本課程的實踐教學(xué)是教學(xué)活動的重要組成部分，它是對理論教學(xué)的驗證、補(bǔ)充和拓展，具有較強(qiáng)的直觀性和操作性，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、組織管理能力、創(chuàng)新能力和服務(wù)社會能力。結(jié)合幾年來的教學(xué)實踐，筆者從本課程實驗、課程設(shè)計、課外科技競賽等實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計工具、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法和教學(xué)手段、師資隊伍建設(shè)以及考核管理等方面進(jìn)行總結(jié)。探討本課程實踐教學(xué)模式可加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)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(shè)計人才具有十分重要的意義。

1 版圖設(shè)計工具

集成電路CAD技術(shù)貫穿于集成電路整個產(chǎn)業(yè)鏈(設(shè)計、制造、封裝和測試)，集成電路版圖設(shè)計環(huán)節(jié)同樣離不開CAD工具支持。目前業(yè)內(nèi)主流版圖設(shè)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(shè)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(shè)計工具貴得驚人，不過近年來這些公司相繼推出大學(xué)銷售計劃，降低了版圖設(shè)計工具的價格。高校選擇哪種版圖設(shè)計工具進(jìn)行教學(xué)，則視條件而定。我校電子信息學(xué)院有2個省級實驗教學(xué)示范中心和1個省部共建實驗室，利用這些經(jīng)費(fèi)，我們購買了部分業(yè)內(nèi)一流的EDA工具進(jìn)行教學(xué)和科研。目前，我校版圖設(shè)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(xué)模式

我校集成電路版圖CAD課程共48學(xué)時(理論講授24學(xué)時、實驗24學(xué)時)，實驗環(huán)節(jié)是本課程教學(xué)的重要部分，在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)既要完成教學(xué)內(nèi)容，又要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，需要對實驗教學(xué)模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。本課程實驗教學(xué)的目的與要求：與理論教學(xué)相銜接，熟練使用版圖設(shè)計工具，學(xué)會基本元器件、基本數(shù)字門電路、基本模擬單元的版圖設(shè)計，為本課程后續(xù)的課程設(shè)計環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。緊緊圍繞“一個規(guī)則(版圖幾何設(shè)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(shè)計實驗內(nèi)容[1,2]。要解決的4個問題分別是：(1)版圖設(shè)計前需要做哪些準(zhǔn)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(shè)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(nèi)容、對應(yīng)學(xué)時及對應(yīng)知識點(diǎn)。筆者設(shè)計了兩種相輔相成的實驗教學(xué)模式：系統(tǒng)化實驗教學(xué)模式和實例化實驗教學(xué)模式。系統(tǒng)化實驗教學(xué)從有系統(tǒng)的、完整的角度出發(fā)設(shè)計了實驗教學(xué)內(nèi)容，如設(shè)計實驗3(數(shù)字基本門電路版圖閱讀)時，安排了5學(xué)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(nèi)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(qiáng)了直觀性和感性認(rèn)識。又如設(shè)計實驗5(模擬單元MOS差分對管版圖設(shè)計)時，安排了5學(xué)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(jìn)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(jié)構(gòu)。實例化實驗教學(xué)先提出目標(biāo)實例，圍繞該實例，設(shè)計具體步驟，教師先示范，學(xué)生再模仿，如設(shè)計實驗7(集成無源器件版圖設(shè)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(jìn)行版圖分析和設(shè)計。課堂實驗的內(nèi)容和課時是有限的，為此我們設(shè)置了課外實驗項目，感興趣的學(xué)生選取一些實驗項目自己完成，指導(dǎo)教師定期檢查。學(xué)院開放了EDA實驗中心(2007年該中心被遴選為省級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)點(diǎn)，2009年12月通過省級驗收)，學(xué)生對本課程很感興趣，課外使用EDA實驗室進(jìn)行自主實驗相當(dāng)踴躍。通過上述的實驗教學(xué)方法，特別是課外實驗項目的訓(xùn)練，學(xué)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(nèi)容、對應(yīng)學(xué)時及對應(yīng)知識點(diǎn)

表1 (續(xù))

3 改革課程設(shè)計環(huán)節(jié)

課程設(shè)計是本課程培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，時間2周，集中指導(dǎo)，提前1個月發(fā)給學(xué)生任務(wù)書和指導(dǎo)書，每個班配備2名指導(dǎo)教師，注重過程控制。筆者在教學(xué)內(nèi)容、考核等方面進(jìn)行了改革和創(chuàng)新：在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，給出了必做題和選做題，在選做題中要求每位學(xué)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(xué)生抄襲?？己顺煽冇烧n程設(shè)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(shè)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(guān)鍵詞、引言、電路原理與分析、版圖設(shè)計過程、分析與討論、結(jié)束語和參考文獻(xiàn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何撰寫科技論文。精選優(yōu)質(zhì)小論文放在本課程網(wǎng)上學(xué)習(xí)資料庫里，供學(xué)生相互傳閱和學(xué)習(xí)。課程設(shè)計答辯具體要求參照畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯要求，包括準(zhǔn)備PPT講稿、講解5分鐘、指導(dǎo)教師點(diǎn)評等過程，每位學(xué)生至少需要10分鐘時間。學(xué)生對課程設(shè)計答辯反映相當(dāng)好，鍛煉了語言組織和口頭表達(dá)能力，而且相互間可以直接交流和學(xué)習(xí)。我們還挑選課程設(shè)計成績優(yōu)秀的學(xué)生參加校內(nèi)集成電路版圖設(shè)計大賽。雖然課程設(shè)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(xué)生的認(rèn)可和進(jìn)步是我們最大的收獲。

4 精心指導(dǎo)學(xué)生參加課外科技競賽

目前我校學(xué)生參加的集成電路版圖設(shè)計競賽有校級版圖設(shè)計大賽以及行業(yè)協(xié)會和企業(yè)組織的版圖設(shè)計競賽等。由校教務(wù)處主辦，電子信息學(xué)院承辦的南通大學(xué)版圖設(shè)計大賽是校級三大電子設(shè)計競賽之一，每年8月底舉行，邀請集成電路設(shè)計公司一線設(shè)計人員和半導(dǎo)體協(xié)會專業(yè)人士擔(dān)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(shè)計大賽獲獎?wù)咧刑暨x一部分學(xué)生參加行業(yè)協(xié)會和企業(yè)組織的版圖設(shè)計競賽，如蘇州半導(dǎo)體協(xié)會主辦的集成電路版圖設(shè)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(shè)計大賽，其中“華大九天杯”集成電路設(shè)計大賽將挑選優(yōu)秀獲獎學(xué)生參加華潤上華的免費(fèi)流片，學(xué)生經(jīng)歷從電路設(shè)計、版圖設(shè)計及驗證、流片到測試各個環(huán)節(jié)，提高了綜合訓(xùn)練能力。

5 加強(qiáng)師資隊伍建設(shè)

要提高課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，關(guān)鍵是指導(dǎo)教師要思想素質(zhì)好，專業(yè)理論知識強(qiáng)，科研水平高，因此我們著力建立一支年齡結(jié)構(gòu)、職稱合理的實踐教學(xué)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(dǎo)學(xué)習(xí)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(wù)水平，加強(qiáng)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(shù)實踐培訓(xùn)班，由經(jīng)驗豐富的教學(xué)、科研一線教師主講；不定期地邀請一流IC設(shè)計公司一線設(shè)計人員來院開設(shè)講座；同時挑選年輕骨干教師到一流IC設(shè)計公司學(xué)習(xí)和實踐，時間至少半年以上；現(xiàn)已聘請IC設(shè)計公司一線設(shè)計人員6人為兼職教師，指導(dǎo)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。集成電路CAD技術(shù)日新月異，課程實踐環(huán)節(jié)師資隊伍建設(shè)必須與時俱進(jìn)。

6 結(jié)束語

我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)2012年被評為省重點(diǎn)建設(shè)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(shè)計是這兩個專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃的重要內(nèi)容之一，總結(jié)和探討集成電路版圖CAD課程實踐教學(xué)意義重大，今后我們要繼續(xù)推進(jìn)該課程實踐環(huán)節(jié)的建設(shè)與改革，不斷探索，為我國集成電路設(shè)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(shè)[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(shè)計[J].南通工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,3(4):101-103.

[3]Christopher Saint,Judy Sanit.IC Mask Design:Essential Layout Techniques[M].北京:清華大學(xué)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.