集成电路教学范文10篇

验证模拟电子技术是一门所有电类工科专业必修的专业基础课［1］，学生通过该课程的学习可以掌握半导体物理器件、单级和多级放大电路、集成运算器、稳压电源等知识，为后续微机原理应用、单片机技术、高频电子技术等专业课程学习做好知识铺垫［2］。然而，传统的模拟电子技术教学以课本理论公式讲授推导为主，以采用模拟实验箱或实验台的验证性实验为辅，具有物理概念抽象、分析方法复杂、动手设计困难等特点［3］。因此，学生普遍反映该课程学习起来困难，考试通过率不高，学习兴趣不足。随着我国国民经济的不断发展，集成电路行业已经被视为与钢铁和石油工业同等重要的、具有战略意义的国家命脉行业，其技术水平和产业规模已经成为衡量一个国家经济发展、技术进步、工业先进、国防实力的重要标志［4］。特别是在“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”的新时代工科建设背景下［5］，如何培养出优秀的适合集成电路行业需求的大学本科毕业生已经成为了各本科院校亟待解决的问题。为了培养学生的集成电路设计能力，提高学生对于电子科学与技术专业的认同度和兴趣感，本文探究了一种面向集成电路设计的模拟电子技术教学改革方法，使用Cadence和HSPICE仿真软件对模拟电子技术课本中的典型电路进行仿真分析，进而验证其理论的正确性。

1传统模拟电子技术教学

1．1传统模拟电子技术理论教学模式。传统的模拟电子技术理论教学采用教师课堂知识灌输形式，即教师通过板书和PPT的方式在课堂上给学生讲授推导书本中的理论公式，通过已学的知识来推导和验证新的理论和公式［6］。例如在学习第二章“基本放大电路”时，教师是通过图解法和微变等效电路法来推导放大电路的静态工作点和交流电压增压。图1为采用图解法求解的单管共射电路，图中通过虚线把晶体管和外围电路分开，当输入信号ΔUI为0时，在晶体管的输入回路中既应该满足输入特性曲线，又应满足外围电路参数，因此:UBE=VBB－iBRb(1)图2为单管共射电路的输入特性曲线，由1式可以确定图中的输入回路负载线，其中斜率为-1/Rb，输入回路负载线与输入特向曲线的交点Q就是电路的静态工作点。图3为单管共射电路的输出特性曲线，与输入回路一样，在输出特性曲线中静态工作点既应在IB=IBQ曲线上，又应满足外围电路特性:UCE=VCC－iCRC(2)由2式可以确定图3中的负载线，其中负载线的斜率为-1/RC，IB=IBQ与输出特性曲线的交点即为静态工作点Q，其纵坐标值为ICQ，横坐标值为UCEQ。通过图解法可以求出单管共射电路的静态工作点Q，采用微变等效电路法可以求解电路的H参数，计算电路的电压增益、输入电阻和输出电阻等［7］。同样，集成运算放大电路、放大电路的频率响应、波形的发生和信号转换等章节都是采用传统的公式推导法来向学生讲解的。传统的模拟电子技术理论教学虽然可以使学生掌握课本中的基本概念和定理，但是繁杂的64物理概念以及抽象的公式推导过程往往让学生感觉到入门难、理解难、掌握难，仅仅依靠课堂理论灌输的教学模式就成为了一种“空对空”的教学模式［8］。1．2传统模拟电子技术实验教学模式。传统模拟电子技术实验教学主要采用模拟实验箱或模拟实验台模式，即学生通过导线插针在现有的实验箱或实验台上连接各种电子元器件或模块来搭建模拟电路的方式［9］。传统模拟电子技术实验教学模式虽然可以通过现有的模拟实验箱或实验台验证课本理论，较为灵活的设计简单模拟电路。但是，传统的模拟电子技术实验教学模式存在诸多缺点:(1)传统的模拟实验箱或实验台一般采用导线插针方式，在实验过程中容易发生插针折断堵塞插孔情况，影响设备德正常使用。(2)随着机箱设备的老化，设备内部经常出现导线或底座虚断、接触不良等情况，造成实验结果的失真。(3)由于传统实验箱或实验台采用模块集成方式，一般只包含了课内验证实验模块，难以激发学生的发散思维和创新能力。

2面向集成电路设计的模拟电子技术教学

2．1面向集成电路设计的模拟电子技术理论教学模式。面向集成电路设计的模拟电子技术在理论教学上采用“工程向导法”的教学思路，首先由教师结合生活实例提出一个具体的工程问题，让学生知道所学知识可以使用到日常生活中去，进而激发学生的学习热情。然后教师采用传统的教学方式，通过课堂讲授向学生传输工程项目所需的理论知识和定理，与传统理论课堂教学模式相比，面向集成电路设计的课堂理论教学在知识点讲授上按照“知识链”模式，即教师在教学内容安排上不再按照传统知识章节的顺序，而是以工程项目为导向，把做工程项目所需的知识点串在一起讲解。以设计“集成运算放大器”为例，集成运算放大器一般包括:偏置电流产生电路、差分输入放大电路、中间放大电路、功率放大电路四部分模块电路组成［10］。因此教师在课程内容安排上首先讲解偏置电流产生电路和电流复制电路，可以通过电流镜和微电流源的工作原理来讲解。然后讲解差分输入放大电路，通过差分输入放大电路的电路结构以及如何提高电路的共模抑制比为出发点进行讲解。接着讲解单级放大电路和多级放大电路的电压放大原理，最后讲解功率放大电路，主要向学生讲解功率放大电路如何提高电路的带负载能力。这样学生具备了基础知识之后就可以动手设计运算放大电路。在向学生讲解设计工程项目所需的基础知识之后，教师再引导学生学习设计模拟集成电路所用到的EDA(ElectronicDesignAutomation)软件，这里以在模拟集成电路设计行业被广泛使用的EDA软件Cadence和HSPICE为例。由于Cadence是在Linux操作环境下运行的，因此教师首先给学生讲授简单的Linux操作环境和基础指令，使学生能够初步掌握Cadence的运行方法，接着教师引导学生在Cadence中进行工程项目的原理图设计，最后使用Cadence把所设计的电路网表文件导入到HSPICE软件中进行参数仿真。使用HSPICE可以对所设计电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析以及蒙特卡罗最坏情况分析等。2．2面向集成电路设计的模拟电子技术实验教学模式。面向集成电路设计的模拟电子技术实验教学采用“教师引导，学生开放设计”的教学模式。教师以“大作业”形式每学期给学生布置5～6道实验课题，制定好项目参数。学生课下搜集项目资料，自主设计电路架构并且进行仿真验证，最后提交项目结项报告。通过学生设计的电路参数是否达标以及结项报告的内容完整性给成合理的评判成绩。图5为指导学生设计的基于CMOS工艺库的运算放大器原理图，共分为三级:偏置电流产生电路、输入级差分放大电路、中间级放大电路。学生把原理图输入到Cadence中可以生成电路参数网表，再使用HSPICE仿真软件进行参数调试。最终可以仿真电路的开环增益、输入共模抑制比、电源抑制比等参数。

3结语

为响应国家科技强国战略需求，突破核心关键技术，构筑先发优势，在未来全球创新系统中占据战略制高点，迫切需要培养大批新兴工程科技人才[1]。而集成电路产业作为信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业[2-3]，在中国制造大投入、大发展、大跨越的趋势下，集成电路的战略重要性日益突显。然而，我国的集成电路产业仍然未能实现真正意义上的突破，集成电路人才培养存在质和量上的不足。高等院校作为高端人才培养的主场地，如何紧密围绕我国集成电路产业快速发展对高水平人才的迫切需求，遵循集成电路发展规律[4-6]，培养出具有理论和工程实践相结合的综合创新型人才，这对集成电路专业实践教学体系提出了新的要求。在此大背景下，集成电路中心坚持“人才培养是根本、提升能力为关键、凝聚资源夯基础、科学研究促发展”的实验教学体系建设思路，提出以培养学生的工程实践能力和科研创新能力为核心目标的“四位一体”实验教学体系，实践教学覆盖现代集成电路产业链的主要技术与技能环节[7]，内容层次递进，为微电子与集成电路相关专业的综合创新型人才实践教学培养提供新方案。

一、“四位一体”实验体系构建

在新工科的大背景下，实验中心提出以“教学与科研、工程相融合”的培养理念，形成了以培养学生的动手实践能力和创新能力为核心目标的“四位一体”实验教学体系，如图1所示。该体系覆盖现代集成电路产业链的主要技术与技能环节，由“通识实验”、“专业实验”、“科研创新实验”与“综合交叉融合实验”四大模块构成，兼顾物理、器件、电路、设计、工艺等集成电路学科核心内容，适应于培养集成电路人才运用理论分析问题、解决问题等能力，具有覆盖面广、实用性强和创新性等鲜明特色[8-11]。该实验教学体系在知识结构上从通识课程一直延伸到专业课程，在实验与实践环节上从校内实验室延伸到校外实践基地。实验内容层次递进，通过实验教学最终实现工程实践与系统实验相融合、科学研究与实验相融合、虚拟实验与实践实验相融合以及理论课程与实验相融合。（一）通识实验模块。通识实验主要面向本科一年级与二年级的学生开设。对于实践性较强的微电子与集成电路专业而言，能够熟练的掌握计算机程序语言以及扎实的物理与电子基础理论知识，可以为后续的专业课程学习奠定基础。因此，在通识实验模块，将程序类实验、物理类实验、电子线路类、信号与系统类实验作为核心内容，四大类实验之间的层次递进关系以及开设的学期如图2所示。通识实验课程设置坚持由易到难的原则，从计算机程序设计语言类实验入门，进而开设大学基础物理实验；在掌握一定的基础知识后，为进一步培养学生的知识综合能力，在第三学期开设难度稍高的综合物理实验。随着知识点的积累、理解能力以及动手能力的提升，逐渐开设与专业基础相关的电子线路类、电路信号与系统类、半导体物理类实验。实验内容由浅及深，层次递进，进而达到培养学生的实验能力以及实验兴趣的目的。通识实验模块的实验教学活动，着重在于培养学生的实验兴趣，规范化的实验操作习惯，熟练掌握常规仪器设备（示波器、电流源、信号源、函数发生器、频谱分析仪等）的操作方法，以及处理实验数据和撰写实验报告的能力。实验的考核方式以及所占的比重为：实验预习（40%）+实验过程（40%）+报告为主（20%）。在课程设置时间上，实验课程一般滞后于理论课程四个星期左右，目的是使得学生在充分理解理论知识点，即实验原理的前提下，带着思考问题进入实验室，有目的、有计划地进行实验，充分实现理论课程与实验教学相融合。（二）专业实验模块。基于通识实验模块，学生已经具备了一定的实验能力且积累了一定的与专业相关的基础知识，具备了专业实验的能力。为了进一步优化实验教学体系，新的实验体系对专业实验的内容进行合理优化，保留传统优势、经典的实验项目，摒弃与优化落后的实验项目，在此基础上，根据科学研究的最前沿，加大科学创新实验以及综合性实验在总实验项目中的比重，使专业实验体系结构更为合理，并构建了半导体器件实验、工艺实验、物理实验、虚拟仿真实为主的六大实验平台，如图3所示。每个实验平台下包含若干与专业主干理论课程紧密相关的专业实验，这些专业实验的内容涵盖面广，由验证型实验→综合设计型实验→创新型实验，实验内容层次递进，相互关联，构成专业实验的核心内容。1.集成电路实践操作教学实验。集成电路实验教学示范中心主要承担学生的实践操作教学实验，主要包含半导体器件物理实验、半导体工艺检测实验以及半导体物理实验三大平台，包含30个实验项目，涵盖半导体材料、器件、电路的物理、电学特性测试与分析等方面的内容。实验内容继续秉承由浅及深的原则，由简单的验证性实验逐渐过渡到创新型与综合性试验。目前为止，创新型与综合设计型实验已经占据总实验项目的62%。此外，学院成立了我国西部地区唯一具备集成电路生产实习条件且应用于实验教学的超净工艺实验室，学生亲自动手实践完成器件设计、工艺操作和样品的测试一系列环节，加深对集成电路制造主要流程与技术的理解。专业实验的考核方式兼顾实验过程与实验结果。对于创新型与综合性实验项目，侧重于考核实验过程，新增实验小组答辩环节，考核范围覆盖实验方案设计、实际动手操作能力、测试结果、实验报告以及答辩表现等环节。专业实验与集成电路学科覆盖的物理、器件、电路、系统等专门知识一致，同时与集成电路材料、设计、制造、封装、测试的产业需求相符，在培养学生扎实基础的同时提高了学生的工程实践能力以及综合创新能力。2.集成电路设计与制造虚拟仿真教学实验。虚拟实验与实践操作实验相结合是未来实验发展必然趋势。优化后的实验平台中增加了“工艺”、“器件”、“集成电路设计”虚拟仿真三大实验平台，各个模块既有自身的侧重，又相互联系支撑，共同通过虚拟和仿真技术、多媒体、网络通信等技术手段，强化理论教学的效果。虚拟仿真实验平台涵盖集成电路产业链的主要环节，兼顾工艺、器件、电路等多方面的培养要求，具有综合性、实用性和创新型的鲜明特点。以《氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性虚拟仿真实验》为例，该实验取材于西安电子科技大学国家级科研成果，主要实验内容为器件虚拟工艺制造、光电特性仿真。AlGaN单量子阱GaNLED器件实验项目中的氮化镓发光二极管可以采用AlGaN、InGaN等作为单量子阱材料，学生可以根据需要的光波波长选择相应的量子阱材料，并可以根据需求改变器件的结构和材料参数，进而分析器件的光电特性。在虚拟环境中完成器件的设计，学生能够更直观地学习半导体集成器件的微观结构以及工作原理，并剖析影响器件性能的主要因素，引导学生逐步探索物理现象的本质，巧妙地解决了由抽象到具体，理论到实践的环节，弥补了工程实践中的某些薄弱环节。此外，利用虚拟仿真平台实现此实验，可以克服真实实验耗时长、成本高、环境要求苛刻、危险性大等弊端，使学生能够增强对所学理论课程的理解和掌握[12]，增强学生的理解能力与逻辑思维能力，提升人才培养质量。3.科研创新模块实验。通过专业实验模块的训练，学生已经具备了独立实验的能力以及基本的综合创新能力。为了进一步提高学生的科研创新思维，同时为学有余力以及科研思维活跃的学生提供更高展示能力的平台，学院在本科实验中增加科研创新实验模块[13]。高校的实验室拥有先进的实验设备，科研能力较强的师资队伍，科研创新实验模块充分利用实验室优势资源以及教师的科研创新能力，实现科研反哺实验教学。学院主要通过各类科研训练计划、课程设计、毕业设计等环节，在教师的指导下，提高学生的科研创新实践能力，实现科研创新与实验教学相融合。以本科生的科研训练资助计划（URTP）为例，URTP是在国家级和省级大学生创新训练计划的基础上，采用项目化的运作方式，通过设立创新基金和本科生资助申报的方式确定立项并给予资金支持，形成了全方位的本科生科研训练资助计划体系，鼓励学生在导师的指导下独立完成项目研究。该项科研训练项目鼓励本科生、申请专利，全面提升本科生的科研创新能力。面向本科生的科研训练计划核心是支持本科生开展科研训练，学生参与URTP的过程本质上是在进行研究性的学习，注重学生参与研究的学习过程，并鼓励本科生产生一定的科研成果。该计划为学有余力的学生提供直接参与科学研究的机会，引导学生进入科学前沿，了解学科发展动态。学生通过发现问题，激发创新思维，积极主动地探索知识的新领域，从而体验一种全新的研究性学习的乐趣。特别是参与科研训练计划的学生可以无条件进入开放实验室，在导师的指导下自主完成项目，实现科学研究与实验教学相结合。4.综合交叉融合模块实验。学科之间的综合交叉融合可以拓宽学生的思维及视野，激发学生的创新意识和动力，而且对当今高水平大学的学科协同发展和创新人才培养机制的完善具有重要的意义[14-15]。实验中心根据半导体与集成电路产业需求，优化实践教学体系，增加综合交叉融合实验模块，着重培养具有国际竞争力的多层次、复合型、创新型集成电路领域人才。综合交叉融合实验模块主要以两种载体实现学科之间的融合。其一，以各类学科竞赛为载体。积极组织学生参加大学生创新试验计划项目和各类学科竞赛、丰富学生课外创新活动，培养学生创新实践能力。以传统竞赛项目全国大学生电子设计竞赛为例，它重在于考核学生的动手创新实践能力以及综合运用知识的能力，竞赛命题范围广，涉及到数模集成电路设计、单片机、电源、物联网、大数据、云计算以及人工智能等方面的知识点。这势必要求带队教练根据自身专业所长对参赛学生进行专门的单项实践训练，学生在掌握基本原理的基础上，根据具体题目将不同学科知识综合交叉运用解决实际问题。其二，以学生毕业设计或者科研训练项目为载体，开展学科之间的交叉融合项目。以本科学生毕业设计项目“硅基二极管可重构偶极子天线关键技术研究”为例，此项目属于半导体与微波通讯的交叉结合课题，研究此课题必须掌握半导体器件物理、固体物理、半导体工艺制造等方面的数理基础知识，此外，必须熟悉微波通讯中等离子体与微波的相互关系以及天线的工作原理。基于半导体硅基二极管构成的偶极子天线具有传统金属天线无可比拟的优点，即体积小，且天线在没有激发的状态下，雷达散射截面可以忽略不计，具有隐身的性能；不改变物理结构的同时实现可重构；辐射方向范围宽等优点。这种交叉融合的新型天线为雷达与通讯系统性能的提升提供了一条有效的技术路径。优化后的实验体系中通过增加综合交叉融合实验模块的比重，实现工程实践与实验教学的相融合，不仅显著提高学生的创新实践动手能力以及综合运用知识解决实际工程问题的能力，而且产出了一系列具有影响的交叉创新成果，学科综合优势进一步提高，学科整体水平和创新活力显著提升。

二、实验教学体系成效

通过优化实验内容，增加虚拟仿真实验平台以及增加科研创新实验模块与综合交叉融合实验模块的比重，不断深化实践教学改革和完善实践教学体系，从而切实提高了大学生的工程实践动手能力。截至目前，国家级集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心拥有Silvaco、Synopsys、Cadence、Mentor等公司授权和自主研发的软件多套，拥有23台高性能计算服务器和300多台PC机，可实现年150000人/时虚拟教学实验任务。学院在3大模块9个虚拟仿真实验平台基础上，开设了52个虚拟仿真实验项目，所有虚拟仿真实验项目均对本科生开放，充分发挥学生学习的能动性。而且，学院已经与国内多家知名企业建立了战略合作伙伴关系，累计共派出200余人前往合作企业（院所），例如英飞凌、意法半导体、应用材料、德州仪器等国际知名微电子企业进行实习。企业为前来实习的学生提供与专业相关的实习岗位，并指派实习导师，与校内导师共同协助指导学生的毕业设计项目。同时，企业还在校内设立专项奖学金并赠送先进的仪器设备与软件，并提供培训课程，使得学生可以了解目前业界最先进的数字集成电路设计理念、方法、工具以及实例，对专业知识有更直观更深入的认识。在学生科技创新与创业方面，优化后的“四位一体”实验教学体系实施后，学生的实践创新与创业能力得到极大的提升。以国家、省部级各类学科竞赛为平台，对大学生进行课外创新、实践能力培养。学生科技成果丰硕、学科竞赛喜获佳绩，图4为新旧实验体系（2013年与2017年）学生科技创新与创业成果比较分析。此外，在新的实验体系实施后，学生获奖的级别也在逐年上升。以2018年为例，获得国家级别奖项有：获得2018年美国数学建模竞赛国际一等奖13人，国际二等奖10人；获得2018年中国大学生计算机设计大赛全国二等奖5人，第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国金奖2人，全国大学生嵌入式系统专题邀请赛国家一等奖1人，全国大学生瑞萨杯信息科技前沿专题邀请赛国家三等奖1人。创业方面，实验中心成功培育孵化学生创业项目8项，目前实现PreA轮融资企业2项，天使投资项目2项，企业估值约2.5亿元。数据表明，“四位一体”实验体系实施后能够给学生提供更多的工程实践机会，学生的科技创新获奖不仅种类与数量呈现逐年递增的趋势，而且获奖质量得到进一步提升。

三、结束语

1确立研究型实践教学模式的必要性

集成电路设计实践主要是提供学生一个实践平台，采用先进的集成电路仿真软件，将书本上的知识采用模拟的方法进行加深理解。实践内容既是电路、模拟电子技术、数字电子技术以及课程设计中所学知识的应用，又是与最前沿科技紧密联系的。而传统的教学内容和教学模式，缺乏对学生创造力的培养，也缺乏与前沿科技的联系，因此需要进行教学改革的探讨和实践。随着教育改革的不断深入，传统的实践教学中“以教师为中心”、“以灌输为主要方式”的教学模式已无法适应时代的要求。先进的教学模式是人才培养的关键措施。研究型教学模式，又称为研讨式教学模式，是指教师以课程内容和学生的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识、自主地发现问题、研究问题和解决问题，以学生为中心，以知识掌握为基础，以能力培养为主线，以提高素质为目的的一种新模式。集成电路设计实践同样需要采用先进的教学方式，提高学生的创新能力，培养研究型IC设计人才。

2研究型实践教学模式的作用分析

集成电路设计实践引入研究型实践教学模式，可以使相关领域的学生真正实现学有所用，不仅学习了集成电路设计的软件知识，同时可以将课堂的理论知识通过工艺模型、电路设计、仿真方法来复现，从而更深入的理解理论知识，而且可以通过一些电路实例来解释生活中的一些现象，激发学习的兴趣。集成电路设计是实践性很强的一个方向，要求将工艺、器件、电路、版图四个方面的理论课程融会贯通，而传统的实践教学旨在加强学生对软件的认识，忽略对理论内容的加深与贯通。通过研究型实践教学模式的开展，可以在保证教学大纲不变的前提下，通过选择适用性较强的实践内容，使学生一方面能够将各门理论课的知识加深及贯通，另一方面可以使学生接触到用人单位感兴趣的课题内容，有利于学生加强实践的动力和持续进步。通过研究型实践，对学校而言，可以培养更优秀学生；对学生而言，可以掌握前沿知识、促进就业。研究型实践成果的实现为学生的晋升、发展提供支持。学生的实践研究成果如能公开发表或获奖，能解决实际工作中的问题，这无形中为学生在工作岗位上的晋升、发展增加筹码。这在最大程度上激发学生的实践兴趣，是其他任何实践模式都不可比拟的。同时，研究型实践教学鼓励学生多看文献、多写总结报告，这也为学生撰写本科毕业论文打下良好的基础。

3研究型实践教学模式的具体实施

3．1课程结构优化

摘要：集成电路设计是一项理论基础要求高、综合性和系统性强、涉及面较广的任务，离不开计算机软件的辅助。开设《集成电路CAD》课程，有利于提高学生的实践能力、加深对专业课程的理解，是系统培养集成电路人才的有效手段之一。针对课程内容抽象的特点，在课堂教学时需通过融入行业前沿信息、设计案例，合理设置随堂练习题、讨论题以及课后习题等一系列内容，丰富教学内容、创造直观生动的课堂氛围，充分调动学生的学习积极性。针对实践性强的特点，通过分组进行课题设计、逐一开展设计报告、加重实践环节的考核比重等方法，可以培养学生的设计思维、提高学生的设计能力。

关键词：集成电路；计算机辅助设计；教学方法；实践训练

一、引言

随着集成电路技术的不断发展，信息的存储和处理能力得到了爆炸式提升，使得信息技术（IT，Infor-mationTechnology）时代已升级到数据技术（DT，DateTechnology）时代。进入21世纪的第二个十年，信息技术已深入人们生产、生活中的方方面面，其在国民经济中的支柱作用愈发凸显。作为信息产业基础和关键的集成电路产业，在这个阶段也迎来了快速发展。从芯片特征尺寸的角度来看，从2010年的65nm发展到了2018年的7nm；从芯片功能和性能的角度来看，越来越多的电路模块被集成到芯片中，片上系统（SoC，SystemonChip）越来越智能，自2017年起，苹果公司和华为公司的SoC都集成有神经处理单元（NPU，NeuralProcessingUnit）；从市场分布的角度来看，亚太地区（尤其是中国）是全球规模最大的集成电路市场，市场需求将继续保持快速增长[1]，但市场份额主要被美、欧、日、韩等国家或地区的少数跨国公司所占有。芯片是一个国家综合国力的象征，没有芯片就没有电子世界，更没有21世纪的制造设计大国[2]。我国虽然拥有庞大的集成电路市场，但尖端核心技术均掌握在少数发达国家手上，随时有被“卡脖子”的风险，2018年初的“中兴事件”就是一个典型的例子。产业的振兴首先要从培养人才开始，集成电路设计是知识密集型行业，需要培养专门的设计人才。集成电路的CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）技术几乎是伴随着集成电路产品的产生而出现的，虽然数字集成电路的设计方法已从CAD演进到EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化），但是模拟和数模混合集成电路的设计目前还是采用CAD技术。在高等教育院校的相关专业中开设“集成电路CAD”课程，加强设计思维培养和设计实例训练，是系统培养集成电路人才的有效手段之一，有利于提高学生的实践能力、加深对专业课程的理解。

二、教学内容安排

《集成电路CAD》是“电子科学与技术”专业高年级本科生的关键专业课程之一，主要覆盖模拟及数模混合集成电路领域。在学习该门课程之前学生需具备《模拟电子技术》《数字电子技术》《半导体器件物理》《微电子工艺》《集成电路分析与设计》等专业课程基础。本课程的教学内容有两个部分：一是课堂教学，共16学时。其中概论部分2学时，主要讲述集成电路的概念、发展历史及现状、集成电路的计算机辅助设计技术发展历史及现状、集成电路的设计方法及设计流程、集成电路CAD的主要内容等；用2个学时温习集成电路制造技术；专用集成电路的CAD设计方法及设计实例讲解共安排4个学时；CAD电路分析基础、电路元/器件模型各占2个学时；集成电路的版图设计、版图验证及后仿真各占2个学时。二是课程设计报告，共16学时。在开学第一课上做出安排，由班长或学习委员组织学生分组，5—7人一组，指定一名组长。每个小组从集成运算放大器、电压基准源、集成电压比较器、振荡器、低压差线性稳压器、开关电容电路、全定制逻辑电路（50门以上）以及其他方面选择一个设计课题，从开学第一周开始利用课余时间查阅资料，开展电路设计和仿真、版图设计和验证工作。同一小组中的同学在选定应用领域和设定电路指标参数时要体现出差异。从9—16周，各个小组陆续开展课程设计报告，每次课（2个学时）汇报一个课题。首先由组长介绍所选课题的基本情况，每一位同学补充介绍自己的设计和组内其他同学的差异，采用“PPT展示+CAD软件操作”的组合汇报模式。

摘要:以黑龙江大学为例，对基于翻转课堂的数字集成电路设计实验教学方法进行研究。目前，实验教学方法有待改进，实验课程内容相对简单，实验课程考核机制单一，应通过课堂翻转，提升学生学习质量，对实验课程内容和模式进行改革，完善考核机制，注重学生创新能力培养，以增强学生的学习效果，深层次理解所学知识，提高实践能力。

关键词:翻转课堂;数字集成电路设计;实验教学方法

翻转课堂作为一种新型教学模式，它的核心理念是学生在进行某一课程学习时，将课堂时间与课下时间翻转，进而提高课堂时间利用率。这种教学模式翻转了传统的教学理念、教学流程及教学参与者的角色，可以在很大程度上提高课堂时间利用率，同时培养学生讨论、分析和解决问题的能力［1］。随着集成电路产业的迅速发展，传统实验教学方式无法完全适应当前集成电路人才培养的要求。拟从黑龙江大学数字集成电路设计实验课程为切入点，研究基于翻转课堂的实验教学方法，以培养具有扎实专业知识、专业技能、创新精神的人才为目标，致力于为黑龙江大学在满足社会需求的高校人才培养方案的制定与实施历程中探索行之有效的方法。

1数字集成电路设计实验课程教学现状

数字集成电路设计课程为黑龙江大学集成电路专业学生本科阶段的必修课。传统的数字集成电路设计实验教学课程可使学生加深对所学理论知识的理解，熟练软件使用过程，增强动手操作能力，但还存在如下三方面问题:A.实验教学方法有待改进。在传统的数字集成电路设计实验教学中，上课前，学生基本不了解实验仪器和软件，也不清楚实验课的内容。课程开始后，教师需要把相应理论知识、仪器操作和软件使用等内容一一讲授清楚，在有限学时内，更多的讲授时间就压缩了学生动手实验和探索更深入问题的时间，不利于学生实践能力的培养。B.实验课程内容相对简单。目前，黑龙江大学数字集成电路设计实验课程的内容较为基础，基本单元电路的设计仿真占比较大，开放性实验项目不多。实验内容主要涉及比较器、编码器和加法器等基础门电85路的仿真，学生使用ModelSim软件通过Verilog语言编写相应电路的网表，然后编写对应testbench文件并进行仿真验证所写电路网表功能的正确性。这类基础实验有利于学生熟练掌握编程语言和软件使用，并加深对基本单元电路的理解，但内容相对简单，对于学生设计综合能力的进一步培养还有所欠缺。C.实验课程考核机制单一。传统数字集成电路设计实验课程的考核成绩只做为其理论课程总成绩的一小部分。黑龙江大学的数字集成电路设计实验课程的考核形式一般为学生每次实验课程中是否完成了几项规定的实验内容，所有实验内容完成后所得成绩的叠加即为该门实验课程的总成绩。由于实验内容具有固定性和同一性，成绩较好的学生快速完成实验内容后难于进一步进行探索研究，这种简单的考核方式无法很好反映出学生掌握实验技能的梯度，也不利于学生发挥创新型思维进行设计实验，阻碍了学生的实践能力发展。

2基于翻转课堂教学模式的改革探索

一、企业对IC版图设计的要求分析

集成电路设计公司在招聘版图设计员工时，除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外，大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求：熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺；熟悉集成电路（数字、模拟）设计，了解电路原理，设计关键点；熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则；掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具；完成手工版图设计和工艺验证[1，2]。另外，公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识，还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广，而国内学校开设这方面专业比较晚，IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大，所以拥有一定工作经验的设计工程师，就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4，5]。

二、针对企业要求的版图设计教学规划

1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件，它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时，一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等，鉴于很少有学校开设这门课程，可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计，可以由Foundry厂提供，也可由公司自定制标准单元版图库，因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中，无论是CMOS还是双极型电路，主要目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能，匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者，更关心的是电路的性能，了解电压和电流以及它们之间的相互关系，应当知道为什么差分对需要匹配，应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的，面积在某种程度上说仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中，性能比尺寸更重要。另外，模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手，经常需要与前端工程师交流，看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等，这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此，对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高，版图设计工作还涵盖了电路提取与整理，这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程；而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。

三、教学实现

1.数字版图。数字集成电路版图在教学时，一是掌握自动布局布线工具的使用，还需要对UNIX或LINUX系统熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是数字逻辑单元版图的设计，目前数字集成电路设计大都采用CMOS工艺，因此，必须深入学习CMOS工艺流程。在教学时，可以做个形象的PPT，空间立体感要强，使学生更容易理解CMOS工艺的层次、空间感。逻辑单元版图具体教学方法应当采用上机操作并配备投影仪，教师一边讲解电路和绘制版图，一边讲解软件的操作、设计规则、画版图步骤、注意事项，学生跟着一步一步紧随教师演示学习如何画版图，同时教师可适当调整教学速度，适时停下来检查学生的学习情况，若有错加以纠正。这样，教师一个单元版图讲解完毕，学生亦完成一个单元版图。亦步亦趋、步步跟随，学生的注意力更容易集中，掌握速度更快。课堂讲解完成后，安排学生实验以巩固所学。逻辑单元版图教学内容安排应当采用目前常用的单元，并具有代表性、扩展性，使学生可以举一反三，扩展到整个单元库。具体单元内容安排如反相器、与非门/或非门、选择器、异或门/同或门、D触发器与SRAM等。在教授时一定要注意符合行业规范，比如单元的高度、宽度的确定要符合自动布局布线的要求；单元版图一定要最小化，如异或门与触发器等常使用传输门实现，绘制版图时注意晶体管源漏区的合并；大尺寸晶体管的串并联安排合理等。2.模拟版图。模拟集成电路版图设计更注重电路的性能实现，经常需要与前端电路设计工程师交流。因此，版图教学时教师须要求学生掌握模拟集成电路的基本原理，学生能识CMOS模拟电路，与前端电路工程师交流无障碍。同时也要求学生掌握工艺对模拟版图的影响，熟练运用模拟版图的晶体管匹配、保护环、Dummy晶体管等关键技术。在教学方法上，依然采用数字集成电路版图的教学过程，实现教与学的同步。在内容安排上，一是以运算放大器为例，深入讲解差分对管、电流镜、电容的匹配机理，版图匹配时结构采用一维还是二维，具体是如何布局的，以及保护环与dummy管版图绘制技术。二是以带隙基准电压源为例，深入讲解N阱CMOS工艺下双极晶体管PNP与电阻匹配的版图绘制技术。在教学时需注意晶体管与电阻并联拆分的合理性、电阻与电容的类型与计算方法以及布线的规范性。3.逆向版图设计。逆向集成电路版图设计需要学生掌握数字标准单元的命名规范、所有标准单元电路结构、常用模拟电路的结构以及芯片的工艺，要求学生熟悉模拟和数字集成单元电路。这样才可以在逆向提取电路与版图时，做到准确无误。教学方法同样还是采用数字集成电路版图教学流程，达到学以致用。教学内容当以一个既含数字电路又含模拟电路的芯片为例。为了提取数字单元电路，需讲解foundry提供的标准单元库里的单元电路与命名规范。在提取单元电路教学时，说明数字电路需要归并同类图形，例如与非门、或非门、触发器等，同样的图形不要分析多次。强调学生注意电路的共性、版图布局与布线的规律性，做到熟能生巧。模拟电路的提取与版图绘制教学要求学生掌握模拟集成电路常用电路结构与工作原理，因为逆向设计软件提出的元器件符号应该按照易于理解的电路整理，使其他人员也能看出你提取电路的功能，做到准确通用规范性。集成电路版图设计教学应面向企业，按照企业对设计工程师的要求来安排教学，做到教学与实践的紧密结合。从教学开始就向学生灌输IC行业知识，定位准确，学生明确自己应该掌握哪些相关知识。本文从集成电路数字版图、模拟版图和逆向设计版图这三个方面就如何开展教学可以满足企业对版图工程师的要求展开探讨，安排教学有针对性。在教学方法与内容上做了分析探讨，力求让学生在毕业后可以顺利进入IC行业做出努力。

摘要:以“立德树人”和“新工科”理念为指导，树立以学生为中心，优化课程知识体系结构，将虚拟仿真、项目式教学和校企协作育人等教学模式有机融入课程体系建设，构建链条式的课程知识地图和由价值观塑造、知识传授和能力培养组成的闭合回路，打破了传统观念束缚和时空限制，推进现代信息技术和产业与微电子工艺教学的深度融合，提升学生知识应用和工程实践能力，培养专业责任感和家国情怀。

关键词:课程改革;新工科;课程思政;微电子工艺技术

1传统培养模式存在的问题

微电子工艺技术是实现半导体器件和集成电路的制备技术，主要包括衬底制备、外延生长、氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻和刻蚀等单项工艺，以及针对不同器件和电路开发的完整工艺流程。由于涉及物理、化学和机械电子等多学科，内容繁杂，涉及面广［3－4］。“微电子工艺技术”课程是一门注重实践操作的综合型课程。受传统观念和实验条件的限制，传统培养模式存在以下问题:

1．1教学内容陈旧，未来技术引领乏力

众所周知，微电子技术的发展长期遵循摩尔定律，即工艺节点大约每隔两年更新一代。随着特征尺寸进入纳米时代，新技术、新方法不断涌现［5］，例如浸没式光刻、极紫外(EUV)光源等。当前5nm工艺节点已进入量产，而微电子工艺的教材内容还处在亚微米时代，严重滞后于技术发展，缺乏对未来技术的引领。

第一章总则

第一条为了加快*软件产业和集成电路产业发展，根据《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》，结合本市实际情况，制定本规定。

第二条按照其有关部门规定，经认定的软件企业和集成电路企业，除享受《若干政策》、国家及本市支持高新技术产业发展政策外，同时执行本政策规定。

第三条本市软件企业和集成电路企业的认定机构和认定程序，由市信息办会同市计委、市经委、市科委、市外经贸委、市教委、市财政局、市质量技监局等部门按照国家有关规定确定。

第二章软件产业

第四条由市政府安排5亿元软件产业发展专项资金，支持软件产业基础设施建设、重点软件项目、软件技术成果转化和产业化,并为相关国家项目提供匹配资金。

摘要：针对目前微电子培养方案滞后于产业发展的现状，阐述微电子学科及专业的特点，提出了专业培养方向应有所侧重的应对方案，抓住芯片设计这一行业竞争关键因素，匹配企业对芯片人才的需求。同时，探讨加强具备产业经验的“双师”型师资建设，并对传统的课程设置进行梳理和根本性调整，形成方向特色，从而适应集成电路新工科的发展和产业需求。

关键词：微电子学，人才培养，芯片产业

最近工信部与教育部等部门提出推进设立集成电路一级学科[1]，进一步做实做强示范性微电子学院，加快建设集成电路产教融合协同育人平台等措施。这说明从主管部门到教育、科技和产业界，都普遍关心微电子集成电路的人才培养问题，本文就微电子学科及专业的界定、产业需求和人才培养方向提出一管之见。

1微电子学科专业的重新界定

我国微电子专业开始于1950年代，学科名称为半导体器件与物理，这个名称与当时半导体产业相契合。后来随着集成电路的发展，学科名称定为微电子学与固体电子学。之后，集成电路发展到超大规模阶段，一个芯片就是一个系统，微电子学科专业的定义已经滞后于产业的发展。以芯片设计为例，产业界更需要组合型人才（系统+微电子设计），导致有些企业宁愿招聘计算机、通信、软件等专业毕业生。但这些人员又缺乏微电子专业基础，从事芯片设计也受专业知识不足的限制。集成电路一级学科的设立及示范性微电子学院的实施，首先要认真考虑学科和专业界定。集成电路产业链涉及工艺、设备、材料、封装、设计、EDA工具、单元库等方方面面，诸如设备和EDA工具等，与其他专业（如精密仪器、光学、机械制造和计算机等）有着更密切的联系。因此，微电子学科方向应有所取舍，主要以微电子器件物理（含材料及相关基础研究），集成电路工艺，集成电路设计作为二级学科。我国目前各高校的微电子专业实际上都是侧重微电子器件物理性质，这一方面相对有优势，所以可以单独保留这个方向。另一方面，要极大地加强集成电路工艺和集成电路设计专业两方向。此外，还要注意到集成电路工艺和芯片设计严格地说并不是一个专业。就像出版社和印刷厂其实是分属两个不同的行业和部门。现在普遍把两个方向混淆为一个专业，导致学生的专业学习难以深入，缺乏工艺和设计的训练与实践，与产业界的需求脱节。芯片行业的现状是芯片设计公司和制造公司都是分开的，全球只有极少数几个公司既有设计，也有制造（如Intel,Samsung），但即使这些公司，其设计和制造都有单独的子公司运营。99%的设计公司是没有制造的，都是委托专业的芯片制造公司进行生产。鉴于集成电路工艺和芯片设计从专业培养角度看区别极大，再考虑到高校微电子工艺实验条件越来越跟不上产业先进的工艺（见下节），我们建议大部分微电子学科应以芯片设计为主要方向。这也是我国国民经济发展的需要。我国近年来严重缺“芯”的状况都源于设计能力的不足，芯片设计是我国微电子产业目前最需要重视的环节。因为芯片开发单位才拥有芯片的所有权，终端企业是向设计公司购买芯片而不是向加工工厂购买，加工厂只有自行开发的芯片才自行销售。芯片设计是集成电路行业竞争的主战场，只有具备了基本的系统设计和芯片设计能力，其他环节包括先进的工艺、设备和设计工具才起作用。长期以来，这个简单的道理却被忽略了。当然微电子工艺方向也重要，但由于实验条件的限制，需采取专门的措施，集中建设少数有条件的单位，办成与产业紧密结合、保持足够先进性和开放性的研发中心和培训中心。好在微电子工艺与微电子器件物理基础教学关联度比较大，这两个方向可以采用相似的教学大纲，再充分利用虚拟仿真的手段，与基础的原理性实验部分结合，加强工艺课程的教学效果，深化对工艺原理的认识。

2实验条件和师资建设

1发挥省实训基地作用,提升学生核心能力

“集成电路版图设计”、“微电子工艺及管理”、“半导体设备维护”为微电子技术专业学生培养的核心工作岗位.在省实训基地的建设中，建立了IC版图设计实验室、微电子材料及器件工艺实验室和IC封装测试实验室.依托省实训基地，瞄准本专业的核心工作岗位需求，进行本专业的新技术、新工艺、新材料等实训，使学生在校期间掌握本行业的先进技术，提升就业竞争力.在微电子工艺的教学中，改变原来学生只能通过教师解说、观看录像等了解相关工艺过程，没有机会亲自动手的状况，采用理实一体化的教学模式；在IC版图设计、IC封装测试的教学中，进行大力教学改革，以项目或任务驱动，面向工作过程，实现融知识、技能与职业素质于一体的人才培养[4].

2校内外实训基地相融合，推进教学改革

微电子涉及的实训设备昂贵，学校由于本身经费的限制，只能建立非常有限的微电子实验环境，其它的要依靠校企合作方式来解决.为发挥企业的优势，与苏州中科集成电路设计中心进行紧密合作.苏州中科集成电路设计中心是中国科学院和苏州市政府联合创办的大型院地合作项目，是苏州市集成电路公共实训基地.双方合作的主要内容有：中科积极参与学校微电子专业人才培养方案的建设，在教材及教学内容上互相学习，相互渗透，该专业基于项目教学法的“IC版图设计”课程就是双方合作开发的结果，中科每年都免费接受该专业学生到中科进行为期2-3天的参观、实习、设计体验等活动，每年都派工程师到学校给学生进行行业发展及职业规划的辅导，该专业每年推荐优秀的学生，由学生自愿参加中科组织的有关“集成电路版图设计”和“集成电路测试”方面的高技能培训，并由学校与中科共同择优推荐学生就业.校企深度合作，校内外实训基地相融合的培养方式，使学生参与到企业的实际工作中，按企业员工的要求进行实战训练，提高学生的责任感、团队意识和实际技能，也降低了学生的就业成本.

3工学结合，提高人才培养质量

国家在“十二五”高等职业教育发展规划中明确提出：继续推行任务驱动、项目导向、订单培养、工学交替等教学做一体的教学模式改革.顶岗实习是让学生对社会和专业加深了解的有效方法和途径.在学校的大力支持下，先后与苏州中科集成电路设计中心、信音电子(苏州)有限公司、秉亮科技(苏州)有限公司、旺宏微电子(苏州)有限公司等公司建立了紧密的合作关系，成为本专业的校外实训基地.2009级微电子专业三个班的同学2011暑期在信音电子(苏州)有限公司进行了为期三个月的顶岗实习，这也是学校第一次一个年级的全专业学生到企业去.这是一次难得的了解企业的机会，锻炼了学生各方面的能力，特别是毅力和个人意志品质及团队合作精神.学生到企业顶岗实训，虽然很辛苦，但加深了对社会和企业的了解，挣了自己所需的学费，学生感到特别自豪，也体会到父母挣钱给自己读书的艰辛，深刻体会到以后努力学习、提高自己谋生手段的重要性.本专业探索出既增强学生的就业竞争力，又降低企业的用人成本的人才培养模式，实现企业、学校、学生、家庭等多方共赢.