虚拟现实仿真在集成电路中的应用研究

虚拟现实仿真在集成电路中的应用研究

姜卫东

济宁市技师学院

关键词：集成电路；芯片开发；虚拟现实仿真VR；仿真设计；仿真学习；仿真实训等

摘　要：实现虚拟仿真，节约实训成本，提高学习效率，保障实验安全性，减少污染等

集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC，把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。是20世纪50年代后期到60年代发展起来的一种新型半导体器件。经过氧化、光刻、扩散、外延等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

核心课程有半导体制造工艺、模拟集成电路设计、超大规模集成电路设计、高级数字系统设计、集成电路版图设计、硬件描述语言、嵌入式系统原理、集成电路工艺技术、电子线路计算机辅助设计、集成电路设计EDA技术等。

专业培养目标为培养掌握集成电路基本理论、集成电路设计基本方法；掌握集成电路设计的EDA工具，熟悉电路、计算机、信号处理、通信等相关系统知识；从事集成电路及各类电子信息系统的研究、设计、教学、开发及应用，具有一定创新能力的高级技术人才。

一、行业发展现状：

1、集成电路产量持续增长

2016年以来，我国集成电路产量稳步提升。2020年我国集成电路产量达2612.6亿块，同比增长16.2%；2021年10月，我国集成电路产量达2975.4亿块，同比增长48.1%。

2、集成电路产业规模高速增长

2016至2020年，中国集成电路产业销售额从4335.5亿元增长至8848亿元，2021年前三季度集成电路产业销售额已达到6858.6亿元。这主要受物联网、新能源汽车、智能终端制造和新一代移动通信等下游市场的驱动。在下游需求维持高景气度、产业政策大力支持、产业资本投入持续增加等因素作用下，中国集成电路行业规模持续保持高速增长。

3、集成电路进出口逆差大

我国集成电路产业的自给率较低，尤其在中高端芯片领域，依赖进口的现象较为严重。2020年集成电路进出口量逆差2837亿块，进出口金额逆差2334.4亿美元。2021年前三季度，集成电路进出口量逆差2454.4亿块，进出口金额逆差2039.9亿美元。

4、集成电路产业集中互动

集成电路主要集中在华东地区、西北地区、华南地区，2020年华东地区集成电路产量占比51.6%。江苏集成电路产量最高，占比32%。甘肃省、广东省、上海市集成电路产量占比超过10%。

二、集成电路的特点

集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路在电路中用字母“IC”表示。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新等方面。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点。

同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。

用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

三、虚拟仿真技术与集成电路专业学习

1、近几年发展起来的VR应用技术，具有以下优势：

1）节约成本

高耗材和高价值是集成电路（芯片）实训的特点，仿真实训仅需要计算机甚至手机和软件，投入设备最少。实物实训仪器设备成本高，报废快，更新时造成大量的浪费，而虚拟现实只需要维护计算机和软件，这个难度和费用就很低，在更新时，多数是更新软件。

2）提高学习效率

在使用虚拟现实软件后，可以在短时间内高效的完成，比如电路图的连接，在实际操作中不论是用面包板插元件连接还是焊锡焊接，效率都不高，在电脑中，只需用鼠标轻点需要连接的对象即可，大大提高效率。而且在仪器仪表的使用上，虚拟现实软件直观的获得测量的结果，而在实物试验中，要调整、校对、读数，占用大量时间。在一般的虚拟现实软件中，会提供技术参数或文档生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大节约了文字输入的时间。

3）提高实验安全性

解决常规实训很难再现的难点问题和开放性问题。职业院校的专业课程教学中，有时候需要进行破坏性实验或模拟故障实验，例如电子电器中的极限电压实验、电器故障模拟实验等。这些实验有些将破坏实习件，有些具有安全隐患。这时候，在实训中心采用计算机系统配合虚拟现实软件进行演示实验和观察，无疑将带来很大的方便。所谓开放性，就是允许学生出错，即不按章办事。不按章办事后果就摆在学生面前，这样的训练对学生准确的把握技能要点是非常有效的。若通过实操实训身历其境的教训来实现，代价很大。

4）减少环境污染问题

实操实训存在较大的污染，例如焊机等和其他实训会造成空气、水等污染，对学生身体健康危害较大，可通过减少实训时间减少污染的危害。而实操前的虚拟现实仿真实训可解决导训问题，有效减少实际实训被污染时间,如下图所示。

2、集成电路专业学习与虚拟仿真技术

   1）通过3D 结构展示、交互性虚拟仿真操作、微观过程机理可视化等方式实现集成

电路实验。

2）实验参数和过程可修改和可逆等。

3）高端大型设备（如光刻机等）的实训实验模拟。

4）电路板和芯片级模拟生产等。

5）印刷电路板PCB的仿真。

6）计算机编程调试与VR技术相关联等仿真操作。

四、虚拟现实仿真技术在集成电路学习、开发领域发挥作用：

1、虚拟仿真设计

核心课程中模拟集成电路设计、超大规模集成电路设计、高级数字系统设计、集成电路版图设计等在VR中实现，如下图所示。

2、虚拟仿真学习

电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、通信原理等课程。

例如上图所示，在互补MOS（CMOS）技术中同时用到NMOS和PMOS，PMOS器件可以通过将所有掺杂类型取反来实现，如上图a所示。但在实际生产中，NMOS和PMOS器件必须做在同一晶片上，相同的衬底。由于这个原因其中某一种类型的器件做在“局部衬底”上，这个衬底通常称为“阱”。

通过虚拟仿真系统完全模拟实际生产过程，把NMOS和PMOS用模型做出来，加上N型或者P型衬底（晶片）模拟学习，如下图所示。

3、PCB虚拟仿真实训

（一）PCB焊接要点：

1）. 焊接辅料最好是松香、松香油或无酸性焊剂。

2）. 焊接前,把需要焊接的地方先用小刀刮净,使它显出金属光泽,涂上焊剂,再涂上一层焊锡。

3）. 焊接时电烙铁应有足够的热量,才能保证焊接质量,防止虚焊和日久脱焊。

4）. 在焊接晶体管等怕高温器件时,最好用小平嘴钳或镊子夹住晶体管的引出脚,焊接时还要掌握时间。

5）. 烙铁在焊接处停留的时间不宜过长。

6）. 烙铁离开焊接处后,被焊接的零件不能立即移动,否则因焊锡尚未凝固而使零件容易脱焊。

7）. 半导体元件的焊接最好采用较细的低温焊丝,焊接时间要短。

（二）PBC焊接仿真

1）.在Unity等虚拟现实平台上开发3D情景实训平台，如下图所示。

2）.数位板代替焊烙铁，现场摆放松香，焊接式模拟松香烟雾和焊点熔融等。

3）.烙铁停留时间严格按照实际效果模拟，时间短焊不上，时间长焊漏等故障模拟。

4）.对照电路图，实现选择电子元器件功能。

5）.实训成绩智能判分系统。

6）.自动生成实训报告等。

（课题名称《MR（混合现实）技术在教育教学中的应用研究》编号：HBKC217153）