PDCA循環在微電子器件設計實踐課程中的應用

大連東軟信息學院電子工程系 孫曉東 宋文斌 宗 楊 王 莉

0 引言

2017年工業和信息化部軟件與集成電路促進中心發布的《中國集成電路產業人才白皮書(2016-2017)》介紹，集成電路融合了電子信息、物理、化學、材料自動工程等40多種科學技術及工程領域，集成電路人才，特別是高端人才需要具備綜合知識背景。目前需要70萬人投入到該產業中來，人才的不足導致我國集成電路產業的自主創新緩慢。一方面各大高校加強微電子科學與工程專業的人才培養，今年3月發布的《2017年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》顯示，有6所高校增加了微電子工程專業，其中包括同濟大學、哈爾濱工業大學、河南理工大學、湖南理工學院、河南師范大學、重慶郵電大學移通學院。另一方面，傳統的人才培養模式也暴露出自身的問題。學生僅僅掌握理論知識，實踐能力薄弱，自主學習意識欠缺，創新性不夠，同企業人才需求相差較大。

本文在微電子器件設計實踐課程中引入企業的質量管理PDCA（（Plan-Do-Check-Act）循環，將企業管理模式引入正常教學，旨在提高學生自主思考、改進和創新等意識。

1 教學現狀分析

傳統的課堂教學模式是一種以老師為中心、書本為中心和課堂為中心的教學模式。這種教學模式往往會形成了老師單向灌輸、學生被動接受的局面，可以看出傳統教學模式的缺陷是作為認知主體的學生在整個教學過程中都始終處于被動地接受知識的地位，學生學習的主動性被忽視，甚至被壓抑。很顯然，這與微電子領域對人才培養的要求是不相符合的，這種模式擔負不了培養高素質的創造性人才的重擔，因此，改變傳統教學模式，建立適應企業需求的課堂模式勢在必行。

2 PDCA應用

PDCA循環的含義是將質量管理分為四個階段，即計劃（plan）、執行（do）、檢查（check）、處理（action）。在質量管理活動中，要求把各項工作按照計劃制定、計劃實施、檢查實施效果，然后將成功的納入標準，不成功的留待下一循環去解決的工作方法，這是質量管理的基本方法，也是企業管理各項工作的一般規律。將該管理方法應用到微電子實踐課程中將有助于學生自主推動實踐項目，提高實踐能力。

2.1 Plan計劃

計劃階段，主要是分析現狀，發現問題。強調的是對現狀的把握和發現問題的意識、能力，發現問題是解決問題的第一步，是分析問題的條件。其中課題是切入點，明確主題后需要設定一個活動目標，也就是規定活動所要做到的內容和達到的標準。目標可以是定性+定量化的，能夠用數量來表示的指標要盡可能量化，不能用數量來表示的指標也要明確。目標是用來衡量實驗效果的指標，所以設定應該有依據，要通過充分的現狀調查和比較來獲得。接著需要找出各種方案并確定最佳方案，區分主因和次因是最有效解決問題的關鍵。有了好的方案，其中的細節也不能忽視，計劃的內容如何完成好，需要將方案步驟具體化，逐一制定對策，明確回答出方案中的"5W1H"即:為什么制定該措施(Why)、達到什么目標(What)、在何處執行(Where)、由誰負責完成(Who)、什么時間完成(When)、如何完成(How)。使用過程決策程序圖或流程圖，方案的具體實施步驟將會得到分解。

在微電子實踐項目中，項目只給出需求，即要求學生設計一款VDMOS（垂直雙擴散金屬氧化物半導體：Vertically Double-diffused Metal Oxide Semiconductor）器件。學生分組組成團隊之后，首先需要進行大量的調研，了解什么是VDMOS器件，該器件的結構，工作原理，性能指標及市場需求等信息。然后根據調研結果，制定VDMOS器件性能指標，再根據制定指標進行任務細化，采取任務分解方式，制定WBS（Work Break-down System），將任務細化，細化到每個人每天需要完成的任務，制定每個任務完成的時間點，便于后續項目的跟蹤和管理。

2.2 Do實施

實施階段按照預定的計劃、標準，根據已知的內外部信息，設計出具體的行動方法、方案，進行布局。再根據設計方案和布局，進行具體操作，努力實現預期目標的過程。

在這個階段，學生需要根據計劃階段制定的WBS來進行具體實施。在本次實踐項目中，學生首先要根據計劃中的VDMOS性能指標，根據VDMOS原理來進行器件的參數設計，參數設計后需要設計出工藝流程圖，接下來利用TCAD軟件進行VDMOS器件的工藝仿真，工藝仿真中涉及到半導體工藝中的氧化、離子注入、擴散、刻蝕等工藝。工藝完成制備出VDMOS器件后，繼續用TCAD軟件進行器件的性能仿真。

2.3 Check檢查

檢查階段確認實施方案是否達到了目標。方案是否有效、目標是否完成，需要進行效果檢查后才能得出結論。將采取的對策進行確認后，對采集到的證據進行總結分析，把完成情況同目標值進行比較，看是否達到了預定的目標。如果沒有出現預期的結果時，應該確認是否嚴格按照計劃實施對策，如果是，就意味著對策失敗，那就要重新進行最佳方案的確定。

在檢查階段，學生需要檢查VDMOS器件的性能仿真結果。比如學生計劃設計的VDMOS器件是耐高壓，擊穿電壓達到600V，但是器件仿真出的結果只有300V，可見該仿真結果沒有達到預定的目標。

2.4 Act處置

處置階段主要進行問題總結，處理遺留問題。所有問題不可能在一個PDCA循環中全部解決，遺留的問題會自動轉進下一個PDCA循環，如此，周而復始，螺旋上升。

在處置階段，需要全體成員根據檢查階段的結果進行分析。在上述例子中，實際仿真出的擊穿電壓僅有300V同預計的600V有較大偏差，項目組成員需要從參數設計，工藝流程，工藝仿真，器件仿真等幾個方面入手，分析每一步的實施過程，找出問題出現的原因。

在該例子中出現擊穿電壓偏差的原因有可能是在參數計算的時候就出現了問題，這種問題將直接導致擊穿電壓不符合要求。也有可能是工藝流程設計的時候不正確，也有可能在工藝仿真的時候出現的問題，導致流程單中的工藝步驟沒有被正確的模擬，還有可能就是器件仿真的時候沒有進行正確的仿真。這幾個階段都要一個一個確認，直到找到影響擊穿電壓出現偏差的原因。

學生在找出問題發生原因后需要進一步分析發生這樣問題的原因，進行整理并列出解決辦法，以便于在下一個PDCA循環中進行實施。對于解決方案效果不顯著的或者實施過程中出現的問題，再進行總結，直至最終器件的性能滿足設計的目標，該項目能夠順利完成。

3 效果分析

通過在微電子器件設計實踐課程中引入PDCA循環管理，按照企業流程進行項目的管理，通過制定計劃，實施，測試，分析這四個階段，學生都需要積極參與到項目中，學生自主參與項目的積極性增強。在計劃中積極調研項目，制定計劃。實施階段能夠按照計劃推進各自的工作。檢查和處置階段，進行問題的分析，使學生的思想方法和工作步驟更加條理化、系統化、圖像化和科學化。

4 結論

本文在微電子器件設計實踐課程中引入了企業中的PDCA循環管理流程，學生自主設計并完成VDMOS器件。將企業管理流程引入傳統的教學中，提高學生學習能動性，這將有助于減少學生同企業人才需求的差距。該教學方式目前在微電子器件設計實踐課程中取得良好的效果，將會被推廣到微電子其他實踐課程中。