“集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索

段倩倩 張文棟 史健芳 李朋偉 桑勝波

摘要：“集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)的一門必修課。詳細(xì)介紹了“集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，探討了教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)的優(yōu)化整合思路，構(gòu)建了高效的理論教學(xué)內(nèi)容框架與實(shí)踐教學(xué)流程，通過教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生課程理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力。

關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計(jì);傳統(tǒng)教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0091-02

信息產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)的戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，其發(fā)展水平是衡量國(guó)家綜合國(guó)力的一大重要標(biāo)志。[1]目前，集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)“集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程提出了新的要求，傳統(tǒng)教學(xué)方法培養(yǎng)的設(shè)計(jì)人才已不能滿足產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。因此，為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，加強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)能力，亟需對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和考核模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。[2，3]

本文結(jié)合太原理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際情況，綜合考慮行業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求和技術(shù)更新情況，提出了“集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革研究項(xiàng)目。基于課堂理論教學(xué)、課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)生科技創(chuàng)新等方面，通過教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)及考核方法等多方面的改革，旨在為該專業(yè)學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、理論聯(lián)系實(shí)踐能力、創(chuàng)新性思維意識(shí)、分析問題和解決問題能力，同時(shí)也為青年教師的教學(xué)科研提供平臺(tái)。

一、傳統(tǒng)教學(xué)方法

集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)高年級(jí)本科生的一門專業(yè)必修課。在該課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路分析基礎(chǔ)、電子工藝學(xué)、模擬電子線路、數(shù)字電路和邏輯設(shè)計(jì)、高頻電子線路等課程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉集成電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)和制作過程，掌握主流集成電路設(shè)計(jì)和仿真軟件的使用方法，培養(yǎng)集成電路基本設(shè)計(jì)能力。[4]

在課堂教學(xué)和實(shí)踐過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和考核方式主要存在如下問題：一是本課程的講授內(nèi)容主要集中在Protel99 SE或Altium Designer等主流集成電路設(shè)計(jì)軟件的使用上，老師結(jié)合書本上的集成電路設(shè)計(jì)圖，講解如何利用Protel99 SE或Altium Designer等軟件設(shè)計(jì)電原理圖、電路板圖和創(chuàng)建原理圖元件庫(kù)、電路板圖元件庫(kù)等知識(shí)，對(duì)電路設(shè)計(jì)、仿真、印制電路板制作工藝等知識(shí)的講解涉及較少，課程內(nèi)容之間的相關(guān)性、相承性、互補(bǔ)性得不到有機(jī)整合，與前面所學(xué)的課程也缺乏聯(lián)系，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，容易“知其然而不知其所以然”，缺乏對(duì)集成電路設(shè)計(jì)過程的宏觀認(rèn)識(shí)和整體把握，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的主導(dǎo)性和創(chuàng)新思維能力;二是對(duì)于這門實(shí)踐性比較強(qiáng)的課程，現(xiàn)有的實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，導(dǎo)致實(shí)踐內(nèi)容陳舊，實(shí)踐方法單一，實(shí)踐模式呆板，大多僅僅是在電腦上對(duì)已經(jīng)成熟的電原理圖和電路板圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)，以熟悉軟件的操作，學(xué)生不動(dòng)手設(shè)計(jì)和仿真電路，不制作印制電路板，不對(duì)實(shí)際加工得到的電路進(jìn)行測(cè)試和分析，陷入了局部的細(xì)節(jié)學(xué)習(xí)，學(xué)生不獨(dú)立分析問題、解決問題，自學(xué)能力、動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)踐能力都得不到有效的培養(yǎng);三是現(xiàn)有的課程考核方法過于單一片面，不能科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)課程的掌握程度，單純通過純理論、偏細(xì)節(jié)的考試和簡(jiǎn)單的實(shí)踐考查進(jìn)行課程考核顯然無(wú)法使學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的融會(huì)貫通，對(duì)知識(shí)僅停留在粗淺的概念理解上。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、實(shí)驗(yàn)研究能力和工程應(yīng)用能力，應(yīng)當(dāng)對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)及考核方式進(jìn)行改革。[5]

二、課程改革實(shí)施建議

過去電路設(shè)計(jì)、印制電路板設(shè)計(jì)、電路測(cè)試分析等工作通常由不同的人員完成，隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電路設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的教學(xué)大綱重理論、輕實(shí)踐，將教學(xué)的重點(diǎn)放在了印制電路板的設(shè)計(jì)上，更多地關(guān)注如印制電路板元器件的布局、印制電路板的布線、Protel99 SE或Altium Designer軟件的使用等，學(xué)生無(wú)法建立系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)思路，不能形成比較體系的集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)不能適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，因此需要對(duì)課程的講授內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與改進(jìn)，制訂符合實(shí)際的教學(xué)大綱，增加對(duì)該課程的電路設(shè)計(jì)和仿真、印制電路板制作工藝等內(nèi)容的講解，使學(xué)生形成完整的集成電路設(shè)計(jì)的知識(shí)體系。實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手制作印制電路板，比較電路實(shí)際的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果的不同，分析原因，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究能力、理論聯(lián)系實(shí)踐能力、分析問題和解決問題能力。下面重點(diǎn)談一下實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革。

1.電路設(shè)計(jì)和仿真

教師根據(jù)實(shí)際需要，提出設(shè)計(jì)指標(biāo)，學(xué)生參考有關(guān)資料，確定電路方案和元件參數(shù)，使用Multisim軟件（美國(guó)NI有限公司產(chǎn)品）交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。若不符合指標(biāo)，修改方案或參數(shù)，直至達(dá)到預(yù)定要求為止。

Multisim軟件具有非常完整、豐富的虛擬測(cè)試儀器，教師在設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)應(yīng)在考慮學(xué)校現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上既使學(xué)生能充分認(rèn)識(shí)和利用Multisim軟件強(qiáng)大的虛擬測(cè)試功能，又方便學(xué)生對(duì)最后加工得到的電路板進(jìn)行測(cè)試。

2.印制電路板設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的電路達(dá)到預(yù)定的要求后就可以開始進(jìn)行印制電路板的設(shè)計(jì)。Altium Designer（澳大利亞Altium有限公司產(chǎn)品）是目前行業(yè)中最為主流的印制電路板設(shè)計(jì)軟件，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案。

無(wú)論設(shè)計(jì)時(shí)軟件自帶的原理圖元件庫(kù)和電路板圖元件庫(kù)能不能滿足要求，學(xué)生都應(yīng)熟練掌握創(chuàng)建原理圖元件庫(kù)和新建庫(kù)元件、創(chuàng)建電路板圖元件庫(kù)與新建庫(kù)元件的方法。

3.印制電路板制作

教師應(yīng)對(duì)典型的印制電路板工廠生產(chǎn)流程（下料、內(nèi)層制作、壓合、鉆孔、鍍銅、外層制作、防焊漆印刷、文字印刷、表面處理、外形加工）進(jìn)行講解，有條件的話可以組織同學(xué)去印制電路板制作工廠進(jìn)行實(shí)地的參觀。

目前比較通用的可以在一般實(shí)驗(yàn)條件下制作較高精度印制電路板的方法分別是熱轉(zhuǎn)印法和感光藍(lán)油法，教師可根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行選擇。

熱轉(zhuǎn)印法首先需要將設(shè)計(jì)好的印制電路板通過激光打印機(jī)打印在熱轉(zhuǎn)印紙上，然后根據(jù)打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，并對(duì)覆銅板表面進(jìn)行打亮，接著用電熨斗進(jìn)行熱轉(zhuǎn)印工藝，熱轉(zhuǎn)印工藝完成后，將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時(shí)，最后進(jìn)行鍍錫和鉆孔，完成印制電路板的制作。[6]

感光藍(lán)油法是將打印好的印制電路板打印在透明的膠片上，并根據(jù)打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，然后將稀釋的感光藍(lán)油（感光藍(lán)油∶水=1∶3，體積比）均勻地涂在覆銅板上，并用電吹風(fēng)吹干，接著用打印好的膠片蓋住覆銅板，用有機(jī)玻璃壓在上面，然后放在紫光燈下曝光約150秒，顯影后將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時(shí)，最后進(jìn)行脫模，完成印制電路板的制作。[6]

4.電路測(cè)試和分析

印制電路板制作完成后，將元器件焊好后對(duì)電路的輸出結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，若結(jié)果與理論的仿真結(jié)果偏差較大，分析原因，撰寫相應(yīng)的實(shí)踐報(bào)告。

三、考核方式改革

電路CAD 課程是一門更多面向應(yīng)用、實(shí)踐的課程，課程考核應(yīng)將考查的重點(diǎn)放在學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)際的動(dòng)手能力、分析和解決問題能力的考查上，降低純理論、局部細(xì)節(jié)考查的難度，真正做到課程理論性與工程實(shí)踐性相結(jié)合。

本課程的考核分為理論測(cè)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)踐環(huán)節(jié)成績(jī)兩大部分。總成績(jī)按以下公式計(jì)算：總成績(jī)=理論測(cè)驗(yàn)成績(jī)×30%+實(shí)踐環(huán)節(jié)成績(jī)×70%。實(shí)踐環(huán)節(jié)中應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，由于實(shí)驗(yàn)條件的局限和差異，成績(jī)考核也不應(yīng)僅取決于最后制作得到的電路的實(shí)際測(cè)量結(jié)果和之前仿真值的偏差大小，而應(yīng)該綜合考慮整個(gè)實(shí)踐過程中學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題和解決問題能力、對(duì)集成電路整體設(shè)計(jì)思路的宏觀認(rèn)識(shí)和整體把握程度等。

教師還可設(shè)置課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，組織學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行諸如利用51單片機(jī)、DSP等進(jìn)行簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、比較兩種印制電路板制作方法等活動(dòng)，并在實(shí)踐考核打分時(shí)給予考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉波，趙倩.“大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2010，（15）：104-106.

[2]何濤，申桂英，蘇忠根，等.獨(dú)立學(xué)院《電子電路CAD》課程改革探索與實(shí)踐[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2012，（1）：23-25.

[3]岳亞杰，楊慧晶，張宏國(guó).集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2013，（3）：62-63.

[4]施敏，孫玲，徐晨，等.淺談“集成電路版圖CAD”課程建設(shè)[J].中國(guó)集成電路，2007，（12）：59-62.

[5]張翼宇.《電路CAD》課程的教學(xué)探討[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007，22（S1）：64-87.

[6]周旭.印制電路板設(shè)計(jì)制造技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，

2012.

（責(zé)任編輯：王祝萍）