CD4002B芯片解析在版圖教學中的應用

摘要：對CD4002B芯片進行了解析，將芯片的版圖和提取電路應用于“集成電路版圖設計”教學改革實踐中，根據授課內容需要分析芯片版圖和電路圖，對教學方式上進行調整，實現了版圖從感性到理性的認知過程，提高了學生的集成電路版圖的解析和設計能力，效果良好。

關鍵詞：集成電路版圖；CD4002B；芯片解析

作者簡介：王健（1965-），男，遼寧沈陽人，沈陽化工大學信息工程學院，副教授；樊立萍（1966-），女，山東淄博人，沈陽化工大學信息工程學院，教授。（遼寧 沈陽 110142）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）31-0050-02

“集成電路版圖設計”是一門講授集成電路版圖版圖工作原理、設計方法和計算機實現的課程，是電子科學與技術專業及相關電類專業課程體系中一門重要的專業課。[1]該課程一般以“模擬電子技術基礎”、“數字電子技術基礎”和“半導體器件”為先修課程，主要講授集成電路雙極工藝和CMOS工藝的基本流程、版圖基本單元的工作原理和結構特點，以及布局布線的設計方法。[2]其目的是指導學生掌握集成電路版圖分析與設計技術，提高學生實踐能力和綜合解決問題的能力。由于集成電路芯片外層有封裝，學生在學習該課程前對版圖無直觀認識，很多版圖設計教材是先講授工藝流程，然后講授單元版圖，最后論述布局布線等內容，這樣教學有悖于從感性到理性的認知過程，有礙教學效果。[3]有的教材在版圖解析方面做了有益嘗試，但由于當時技術條件限制，采用繪制圖代替芯片解析照片，實踐性欠佳。為了在有限的學時中能夠盡快引導學生入門，在版圖解析與設計兩個方面的能力都有所提高，筆者將芯片CD4002B解析并應用到“集成電路版圖設計”課程教學實踐中，效果良好。

一、版圖逆向解析

集成電路的設計包括邏輯（或功能）設計、電路設計、版圖設計和工藝設計。通常有兩種設計途徑：正向設計、逆向設計。[2]

逆向設計的作用為仿制和獲得先進的集成電路設計。逆向設計的流程為：提取橫向尺寸，提取縱向尺寸和測試產品的電學參數。[2]

對于本科電子科學與技術專業教學，版圖的逆向設計主要是提取芯片的橫向尺寸。提取芯片橫向尺寸方法為：打開封裝，進行拍照、拼圖；由產品的復合版圖提取電路圖、器件尺寸和設計規則；進行電路模擬和畫版圖。

二、CD4002B版圖解析

CD4002B是兩個四輸入或非門芯片，封裝為雙列14針塑料封裝，根據芯片編號規則判斷為CMOS工藝制造。該電路具有器件類型全面、電路典型的特點，適用于教學實踐。

1.CD4002B芯片版圖拍照

首先將芯片放到濃硝酸中加熱，去掉封裝，用去離子水沖洗、吹干后在顯微鏡下拍照鋁層照片。再將芯片放到鹽酸溶液中漂洗去掉鋁層，用去離子水沖洗、吹干后放到氫氟酸溶液中去掉二氧化硅層，經去離子水沖洗、吹干后用染色劑染色，雜質濃度高部分顏色變深，沖洗、吹干后在顯微鏡下對無鋁層（有源層）芯片拍照。

采用圖形編輯軟件分別對兩層照片進行拼接，獲得版圖照片。

2.芯片版圖分析

通過對CD4002B兩層（鋁層和有源層）照片進行分析研究表明：解析的芯片為是一層鋁，且鋁柵極，P阱工藝。該芯片鋁線寬度最小為9微米，柵極寬度為6微米。芯片包含的單元為NMOS、PMOS、反相器、四輸入與非門、電阻、二極管等。

該芯片由兩個四輸入或非門組成，其中一個或非門電路圖如圖1所示，其中9、10、11、12管腳為輸入端，14管腳為電源端，13管腳為輸出端和7管腳為地端。四個輸入端首先分別經過一個反相器，然后接入一個四輸入與非門，最后經過一個反相器輸出。邏輯關系經過推導和仿真驗證為或非門關系。

為了實現靜電保護，在輸入、輸出和電源端分別構造靜電保護。輸入端靜電保護電路由四個二極管和一個限流電阻構成；輸出端靜電保護電路由二個二極管和一個限流電阻構成；電源端靜電保護電路由一個二極管構成。

下面以芯片中四輸入與非門版圖和輸入靜電保護電路說明版圖特點。

該芯片的四輸入與非門版圖如圖2所示。N14、N15、N16、N17為NMOS管，共用一個P阱，從鋁層分析四個NMOS管為串聯關系。為了節省面積，相鄰器件源極和漏極共用，即上一個管子源極是鄰近管子漏極；P14、P15、P16、P17為PMOS管，從鋁層分析四個NMOS管為并聯關系，四個器件源極相連和漏極相連，提取的電路圖見圖1。

該芯片的輸入管腳都有靜電保護電路，如圖3所示。其中D5-1、D5-2為兩個以P阱為P區的二極管，該管N區接輸入端，P區接地；R5為基區電阻；D5-3、D5-4為以基區電阻為P區，襯底為N區的二極管，其中P區接電阻，N區接電源。提取的電路圖見圖1。

三、課程教學改革

1.教學大綱的改革

本科生教學既要注重實踐教學又要兼顧理論教學，不僅要掌握單元的版圖設計和軟件使用，還應該掌握版圖結構原理。為此確立該課程的基本目標為：電路的分析及應用，能夠讀懂電路的線路圖，并能進行正確分析；版圖識讀和常見基本器件的版圖設計；布局布線與驗證修改；[4]掌握版圖的失效機理，并能掌握特殊器件版圖的設計方法。

根據電子科學與技術的課程體系，參考幾種教材制定了特色顯著的教學大綱。該大綱主要內容包括：模擬和數字集成電路基本單元電路和工作原理；雙極工藝、CMOS工藝和BICMOS工藝的介紹；集成電路的失效機理和防護措施；三種工藝的中的NPN和PNP晶體管、NMOS和PMOS晶體管、電阻、電容和電感等器件的版圖和工作原理；特殊器件的版圖及工作原理；[5]版圖布局、布線和標準單元設計的基本規則；逆向版圖的識別方法；[2]集成電路設計軟件的使用方法。[6]

2.課堂教學的改革

在課程教學中，對學生采用從感性到理性再到實踐的教學方法，課堂教學中采用板書、多媒體和掛圖等三種方式相互結合教學中調動學生的興趣，增強主動性、參與性和創造性。

授課過程中，首先給學生演示經過逆向解析的雙極型和CMOS集成電路版圖，使學生對版圖有直觀認識，激發求知欲望。其次，講述雙極型和CMOS工藝和基本元件版圖和工作原理，課上提問學生在黑板上繪制版圖，熟練后再對逆向解析版圖進行識別，強化學生的主體性。再次，學習基本模擬和數字集成電路的基本單元電路和工作原理，講授布局和布線的基本方法，對照逆向解析版圖理解實際版圖布局布線方法。另外，講授特殊集成電路版圖原理，深入了解現代集成電路版圖的發展方向。最后講述集成電路版圖設計軟件的工作流程，結合上機實驗，掌握基本設計步驟，強化知識的建構性。

3.CD4002B芯片解析應用于教學

在CMOS工藝及其單元器件版圖相關章節中，以CD4002B芯片照片為例分析單元器件的構造，包括NMOS、PMOS、反相器、四輸入與非門、電阻和二極管等。結合版圖講解工作原理和基本單元電路的計算機仿真，在講解版圖布局布線章節中，以CD4002B芯片照片為例分析芯片版圖布局，在課后作業上要求學生根據版圖照片提取電路圖。

在版圖的計算機輔助設計實驗中，要求學生采用集成電路設計軟件繪制CD4002B的版圖和電路圖，并通過DRC和LVS驗證。

通過上述方法，使學生的學習符合人類認知過程，出色掌握了集成電路版圖設計的基本技能。

四、教學效果

通過將CD4002B芯片解析應用于教學實踐，學生在課堂上對版圖有了直觀認識，對學習充滿了興趣，能夠在教師的引導下主動研究版圖的設計和電路提取，主動查閱芯片的技術資料。在實驗課上，大多數同學能夠積極主動繪制版圖，實現DRC和LVS驗證。

總之，教學實現了從感性到理性的認知過程，學生在學習過程中發揮了主體作用，提高了集成電路版圖的解析和設計能力。

參考文獻：

[1]王健，樊立萍.電子科學與技術專業建設的研究與實踐[J].中國電力教育，2011，（20）：56-57.

[2]朱正涌，張海洋，等.半導體集成電路[M].北京：清華大學出版社，

2009.

[3]羅三桂.現代教學理念下的教學方法改革[J].中國高等教育，2009，

（6）：11-13.

[4]張罡.“集成電路版圖設計”實踐教學設計[J].科教文匯，2010，（10）：43.

[5]Hastings，A.模擬電路版圖的藝術[M].王志功，譯.北京：清華大學出版社，2007.

[6]曾慶貴.集成電路版圖設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

（責任編輯：劉輝）