《集成电路版图设计》课程教学改革探索

向静 徐勇刚 任晓霞

1 引言

《集成电路版图设计》课程是微电子科学与工程专业的专业技术课，本课程是集成电路设计、工艺中必不可少的环节。基于重庆文理学院电子电气工程学院微电子科学与工程专业具体情况，本文指出该课程的教学内容、教学设置等方面存在的问题。结合以本为本的教学理念和现代化的教学手段，对本课程进行了整体性改革探索，旨在培养适合集成电路行业需求的人才。

5G时代的来领，对集成电路的集成度、精细度方面提出了更高的要求。芯片尺寸朝着不断缩小的方向发展，也就意味着集成电路版图设计的面积更小。集成电路设版图计是连接集成电路设计与集成电路工艺制作的桥梁，包括整个集成电路中的逻辑信息和连接关系，为芯片工艺制作提供数据、图片信息。版图设计结果直接影响器件的性能和制作成本，是集成电路领域中不可缺少的一部分。集成电路设计版图设计使用的软件包括Cadence、Synopsis、Tanner等等。本课程基于CMOS器件工艺，依靠Tanner系列软件（L-edit、S-edit、W-edit、T-Spice），旨在让学生应掌握CMOS技术的相关概念和CMOS器件与物理层的对应关系，以及CMOS器件的版图设计流程和基本逻辑电路的版图和电路图的对应形式。

2 《集成电路版图设计》课程现状和存在的问题

2.1 学生缺乏积极性

本专业学生的高考分数主要为重庆市低于一本分数线10分左右。部分学生来自于一般高中的中上等学习水平学生，部分学生来自于重点高校的中下等学习能力的学生。一方面，整体上本专业学生学习能力中等偏下，部分同学学习目标不清晰，缺乏对本专业的认识，不了解《集成电路版图设计》课程在本专业中的重要性。另一方面，本专业在学院不属于优势学科，该专业的教育资源较少，导致学生对本专业前景不明朗。综上所述，学生的学习缺乏积极性，导致教学效果不佳。

2.2 课程与其他课程的交叉知识较多

《集成电路版图设计》中涉及到《集成电路设计》、《集成电路工艺》、《基本逻辑门》、《模拟电路基础》、《集成电路CAD》等课程的知识。在授课期间，对许多已学过的知识点不讲解，课程连续性较弱，教师难以把握学生的真实知识掌握情况;知识点讲解，占有一定课时，新知识的课时会被压缩。由于交叉知识较多，《集成电路版图设计》课程讲解尺度把握较难，增加了教师教学难度。

2.3 课程设置存在的问题

《集成电路版图设计》课程在本院系分成了两个模块：理论课部分（32学时）和实验课部分（1周）。理论部分主要基于CMOS工艺，介绍基本逻辑门、集成电路工艺流程、Tanner系列L-EDIT使用、集成电流版图设计规则、设计技巧、一致性检查、后仿真和网表文件基础知识等内容。实验部分主要基于Tanner系列软件L-edit、S-edit、W-edit、T-Spice，熟练掌握版图设计及后仿真的操作。

课程设置中，理论部分课程和实践课程直接分开进行授课。《集成电路版图设计》是一门基于tanner系列软件的学习的课程，单纯的理论课程学习，会让学生感觉枯燥。由于缺乏实操练习，提不起学生学习的兴趣。在进行实践课程实施时，学生不能理解软件操作的内在理论基础。综上所述，将《集成电路版图设计》直接分为两个课程，不利于课程教学过程。

3 解决问题的方法

3.1 树立学生自信，培养学生兴趣

向学生展示在信息产业中微电子地位和国内外产业的现状，提高学生的“专业”自信心。微电子产业属于信息产业发展的重要环节，在信息产业中处于支柱和核心地位，是国家信息化战略发展的基础。2019年，中美贸易磋商反应出中国的微电子产业还有很大的发展空间。国家需要优秀的微电子专业人才，微电子专业是一个新型的蓬勃发展的专业。在课堂教学中提出并实施以下2点措施。

（1）播放适当的集成电路版图设计相关知识、科普视频，培养学生的兴趣。向学生展示世界最顶级的光刻机制造商——荷兰ASML，介绍中国开发出来的具有世界顶尖水平的刻蚀机。一方面，让学生看见中国光刻机与世界顶尖光刻机的差距。另一方面，让学生知道中国也具有世界顶尖制造技术，使学生认识到微电子产业急需人才，并相信本专业有很好的前景。

（2）设立课堂激励机制，提高学生积极性，培养学生的学习兴趣。课堂教学中，不是一味地讲解知识，适当地提出问题，让学生思考和回答，培养学生独立思考解决问题的能力。对愿意回答问题、阐明观点的学生给予一定的平时成绩加0.5-2分（总分20分），以此鼓励学生多思考和回答问题，培养学生对本课程的学习兴趣。

3.2 分析交叉知识点，制定课程教学重点

专业课之间有知识的交叉是较为普遍的现象。各门专业课老师之间需要相互交流，相互讨论，分析并列举出课程之间的交叉知识点。在《集成电路版图设计》课程实施过程中，借助于提问法和课后交流的方式，学生能够复习并掌握前期知识点，教师能够了解学生知识掌握情况。对于掌握较好的知识，教师不做进一步讲解;对于理解有困难的知识，教师做进一步讲解。故对教师备课提出了更高的要求，也使学生能够更好地掌握知识。本门课程与其他专业课交叉的几个知识点如下。

（1）集成电路设计、基本逻辑门的概念和分类;

（2）晶体管的背景、定义以及相关知识;

（3）集成芯片制造工艺流程（硅单晶片的制造、外延层的生长、硅的氧化、掩膜版的制备、光刻、掺杂、多晶硅的淀积、金属层的形成）及其原理。

根据《集成电路版图设计》课程的特点确定教学重点，并在课堂教学中进行详细讲解。本门课程内容重点包括以下几点。

（1）版图设计的概念和方法;（2）集成电路工艺简介;（3）CMOS工艺简介;（4）版图中的绘图层;（5）EDA工具介绍与安装;（6）CMOS晶体管的版图绘制;（7）版图的验证和版图输出数据;（8）版图设计的规则;（9）基本逻辑门电路的版图设计;（10）版图一致性检查的介绍和软件实操。

3.3 实施理实一体化教学，引入“ 翻转课堂”模式

《集成电路版图设计》是一门依赖版图软件实施课堂教学的课程。将理论和软件使用分开进行不利于本课程的教学实施。将理论知识和實践操作融为一体，能够使学生更好地掌握版图与集成电路工艺流程之间的关系，且熟练地应用Tanner系列软件。

学习一类软件最好的方法是学生不断进行项目实操。本课程软件实操训练项目主要分为五个方面：（1）使用L-Edit画PMOS布局图;（2）使用L-Edit画NMOS布局图;（3）使用L-Edit画反相器布局图;（4）使用L-Edit画并联晶体管的版图;（5）使用L-Edit画串联晶体管的版图。实施以学生为主体的“翻转课堂”教学模式步骤如下。

（1）在教师介绍软件的基本操作后，将学生分为5个小组;

（2）由学生自行选择实操项目，教师提供相关项目的相关资料;

（3）由小组学生自学项目相关资料后，通过抽签方法选取2-3名学生;

（4）该2-3名学生向全班同学讲解项目实操流程;

（5）教师提供一道类似项目，由全班同学完成项目，以检验学生学习情况。

通过“翻转课堂”式的项目教学方法，锻炼学生独立思考、学习和解决问题的能力。结合抽签法，确保了公平性，也保证每个学生都会独立去完成项目任务。

4 结束语

借助于时事报告和相关视频资料，提高了学生对本专业发展前景的信心。各专业课教师之间多交流分析，确定了《集成电路版图设计》的教学重点，突出了本课程的特色。采用理实一体化教学，优化了课程教学设置，使学生熟练掌握该课程的理论知识，并很好地理解版图设计原理。结合“翻转课堂”教学模式、项目教学法和抽签法，确保了学生能够熟练地应用Tanner系列软件，尤其是L-Edit。最终，将学生培养成为适合集成电路行业需求的人才。

基金项目：重庆市教委科技青年项目（KJQN201901316），重庆文理学院校级项目（R2019FDQ12）

（作者单位：重庆文理学院电子信息和电气工程学院）