CN114020151A - 基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于Unity3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1，先对晶圆进行制造检测，检测完成后通过多个工序制造形成集成电路，对集成电路进行测试；步骤S2，测试完成后，通过采用三维软件3DSmax多边形建模方法，建立单面模型；步骤S3，使用Unity3D中的FirstPersonController在整个场景中展现对应内容，作制每个工序的实验入口，对每个工序进行实验；步骤S4，实验完成后，按照实验过程中每个实验步骤的操作情况，在结束界面显示成绩，本发明能够解决集成电路制造工艺受设备、场地、安全性、专业性等限制难以开展高还原度实训与考核的问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路工艺构建技术领域，尤其涉及基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法。
背景技术
集成电路相关课程的实践性、工程性、技术性很强，这就要求在教学过程中不仅需要常规、传统的课堂理论知识的教学，还需要大量实验实践类课程的补充。但对于集成电路产业来说，实操教学或训练的困难点较多，一方面是集成电路制造工艺涉及的设备多、体积大、价格昂贵，对生产的场地的面积与环境要求高，像晶圆检测需要千级无尘车间；另一方面对应的设备与车间维护成本也很高，有些操作还存在一定的危险性。所以对于集成电路制造工艺这样的涉及范围广、实物成本高、现场要求以及危险性高的操作，需要采用虚拟仿真手段进行教学、训练和考核。
当下，集成电路已经成为我国的战略性产业，国家对其发展高度重视。但集成电路制造工艺培训中除了第1点中提到的问题外，还存在理论讲述抽象、企业参观较难进入车间内部，而且实地培训无法很多人一起学习或操作等问题。虚拟仿真是一个不错的体现方式，但是目前，关于集成电路制造工艺完整流程的虚拟仿真产品较少，而且较难完整展示企业的现场、体现工序流程与岗位技能。
科技技术发展日新月异，虚拟仿真技术已成为集成电路发展的一个主流趋势。虚拟仿真技术是一种以构建系统一体化的虚拟环境为目的，通过控制虚拟环境的虚拟物体来表达客观世界的真实性。它拼接器沉浸、互动、虚幻、逼真的特性，已被运用到了生活中的各行各业。利用虚拟仿真技术，能够将虚拟环境与客观现实联系起来，对其中种类繁多、构型复杂的信息作出准确、完备的描述，研究高效的建模方法，重建演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。虚拟仿真技术克服了传统集成电路实验教学中的种种弊端，不但节省了教学资源、增强实践的可重复性，还改善了教学质量，激发了学生的创造力，培养了其实践能力。
虚拟仿真的实现方式多种多样，其中Unity 3D其具有优秀的编辑能力、拓展性、交互性与跨平台性。Unity 3D平台可以导入由3Dmax建的车间、设备、物料和其他模型，以及在模型场景内仿真生产场景、物体取放、位置移动、设备操作运行等。这些虚拟资源可以再现集成电路制造工艺中的各个工序流程以及操作过程，体现岗位技能，可以重现现实车间，并利用与数据库的信息交互实现信息的传递与保存。
现有集成电路制造工艺实训系统构建存在以下缺陷：
缺点1：单个产品展示的工艺内容有限，无法体现出集成电路制造工艺所涉及的广泛的产业线。
缺点2：针对单个工艺进行仿真，每个工序间的关联性小；模拟的流程简单，与企业实操及岗位需求匹配度低。
缺点3：设备内部具体过程及其原理无具体展示。
缺点4：缺少故障的展示与体验。
缺点5：车间以及设备模型粗糙，场景还原度低。
缺点6：针对考核模式，一个实验对应一个考核，无法分阶段测试。
因此，为了解决集成电路制造工艺受设备、场地、安全性、专业性等限制难以开展高还原度实训与考核的问题，本发明提供基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，能够解决集成电路制造工艺受设备、场地、安全性、专业性等限制难以开展高还原度实训与考核的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：基于Unity3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述实训系统包括服务端与客户端，服务端由管理端和教师端构成，管理端用于用户管理、车间管理、试卷管理和版本管理，教师端用于用户管理、线上组卷和试卷管理，客户端包括学生端，学生端用于实训练习及考核，所述服务端与客户端均与实训系统内的数据库相连；
所述方法包括如下步骤：
步骤S1，先对晶圆进行制造检测，检测完成后通过多个工序制造形成集成电路，对集成电路进行测试；
步骤S2，测试完成后，通过采用三维软件3DS max多边形建模方法，建立单面模型；
步骤S3，使用Unity 3D中的FirstPersonController在整个场景中展现对应内容，作制每个工序的实验入口，对每个工序进行实验；
步骤S4，实验完成后，按照实验过程中每个实验步骤的操作情况，在结束界面显示成绩。
进一步地，所述服务端采用SpringBoot框架快速搭建项目，SpringBoot+Mybatis实现系统主架构，采用Mysql数据库实现用户和车间工艺等相关基本信息的存储，采用Redis进行数据的缓存，项目采用前后端分离的方式开发。
进一步地，所述步骤S2包括：将3DS max软件制作的模型导入unity 3D中，不断调整各类参数，进行场景烘焙，直到达到理想的场景效果，增强场景的质感以及逼真度。
进一步地，步骤S3还包括步骤A1，所述步骤A1包括：每个工序的实验入口起始是中心区，中心区4个方向依次为4个工艺车间，进入不同车间区域将触发不同车间场景，车间内包含对应工序的工位设备，给每个工位设置触发区域，视角位置进入该区域，则可查看该工艺的对应内容。
进一步地，所述步骤S3还包括步骤A2，所述步骤A2包括：为工序数量搭建统一的框架模板，在制作实验时，先将整个实验的步骤流程以及每个步骤中的操作序号放入对应位置，形成一个完整的框架，然后再依次实现具体的实验操作功能，每个工序实验按照企业中的操作模式与流程，再将关键技能点突显、简化次要内容、缩短整体的运行时间。
进一步地，实验操作功能具体内容有：作业工位识别、本工序作业信息识读、作业程序设置、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、相关设备准备、辅助工序操作、相关设备运行、质量首检/抽检、结批操作、质量外观/设备情况的判断、异常的排查与处理等，每一个步骤的操作输送到数据库中，控制中心反馈出操作的正确情况，。
进一步地，所述步骤S4包括：实验完成，按照实验过程中每个步骤的操作情况，在结束界面显示成绩，需要计分的步骤进行赋值，操作正确即得到对应的分数，每个工序实验的总分都是100分，设置不同的分数等级会对应0-3颗星，将星星数作为下一工序解锁的判断条件，若0颗星则实验失败，下一工序无法解锁；获得足够星星数方可继续下一道工序。
进一步地，每道工序制作了3个等级的考核版，分别为初级、中级、高级，其内容与难度逐级递增，初级主要包含工序的简单流程操作；中级主要增加了设备的准备、参数的判断以及操作错误的分枝；高级主要增加了故障排除。
进一步地，每道工序的结尾增设了故障环节的模拟，展示常见的故障现象，对现象进行分析、说明，并仿真故障常规的处理过程，另外，每道工序中在关键位置设置了分枝，若操作错误将触发不同的结果。
进一步地，考核版设有单独的考核入口，教师端可以自由选择等级、工艺组合成一份试卷，对指定学生进行考核；学生端则可以根据发布的试卷，对应进行考核，阶段性、针对性、灵活性更强。
进一步地，还包括辅助功能，辅助功能包括用于自由控制开启/关闭操作提示模块、用于声音可开启/关闭提示语音模块、用于重新进入可继续实验保存操作进度模块、作业指导模块、用于操作步骤的情况记录操作记录模块、返回主页模块，所述辅助功能内的模块均与实训中心的控制中心相连。
本发明的有益效果：本发明汇总集成电路制造工艺相关产线，操作系统涵盖晶圆制造、晶圆测试、集成电路封装、集成电路测试四大车间，以及它们对应的着装准备区域，形成一个完整的芯片从硅到成品芯片的产业线，集中展现了集成电路制造行业内典型的生产车间，各个车间可以按照实际需求，进行自由组合，体现出集成电路制造工艺所涉及的广泛的产业线。
本发明通过整个操作系统的构成结构，将晶圆制造、晶圆测试、集成电路封装、集成电路测试4个车间的模型导入到一个Unity 3D的场景中，实现所有车间组合于一个系统，并且通过服务端给管理员设置对应权限，实现车间权限的自由组合。
本发明通过每道工序之间的操作顺序、作业信息、物流信息进行传递的内容于形式，以及设备运行展示的具体内容，每道工序制作了3个等级的考核版，可以分等级测试；可以自由组合不同的工序组成考核试卷，阶段性、针对性、灵活性更强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法的方法流程图；
图2为本发明基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统的系统原理框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1和图2，基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，实训系统包括服务端与客户端，服务端由管理端和教师端构成，管理端用于用户管理、车间管理、试卷管理和版本管理，教师端用于用户管理、线上组卷和试卷管理，客户端包括学生端，学生端用于实训练习及考核，服务端与客户端均与实训系统内的数据库相连，服务端采用SpringBoot框架快速搭建项目，SpringBoot+Mybatis实现系统主架构，采用Mysql数据库实现用户和车间工艺等相关基本信息的存储，采用Redis进行数据的缓存，项目采用前后端分离的方式开发。
方法包括如下步骤：
步骤S1，先对晶圆进行制造检测，检测完成后通过多个工序制造形成集成电路，对集成电路进行测试；
步骤S2，测试完成后，通过采用三维软件3DS max多边形建模方法，建立单面模型；
利用3DS max软件制作模型，最大限度的达到1：1还原真实得集成电路企业车间场景以及设备功能，使用三维软件3DS max多边形建模方法，建立单面模型，最大限度得优化模型面数，同时使用RizomUV软件将模型UV展开，快速展好2套UV系统，采用SubstancePainter软件制作PBR物理贴图，使得模型材质纹理更加贴近真实，最后使用虚幻引擎Unity3D软件进行场景设备烘焙渲染。
将3DS max软件制作的模型(包括车间场景、各种设备或物料等)导入unity 3D中，不断调整各类参数(如精细度、烘焙贴图大小、光反弹次数、环境光遮蔽、屏幕后期特效等)，进行场景烘焙，直到达到理想的场景效果，增强场景的质感以及逼真度。
步骤S3，使用Unity 3D中的FirstPersonController在整个场景中展现对应内容，作制每个工序的实验入口，对每个工序进行实验；
每个工序的实验入口起始是中心区，中心区4个方向依次为4个工艺车间，进入不同车间区域将触发不同车间场景，车间内包含对应工序的工位设备，给每个工位设置触发区域，视角位置进入该区域，则可查看该工艺的对应内容。
各个工艺车间中包含的重要工序如下：
晶圆制造车间：职业素养、薄膜制备(氧化工艺、物理气相淀积、化学气相淀积)、光刻(涂胶、曝光、显影)、刻蚀(干法刻蚀、湿法刻蚀)、离子注入、化学机械抛光；
晶圆测试车间：职业素养、晶圆扎针、晶圆打点、晶圆烘烤、晶圆外检及真空包装；
集成电路封装车间：职业素养、晶圆减薄(含贴膜)、晶圆划片(含贴膜)、芯片粘接、引线键合、塑封、激光打标、电镀、切筋成型；
集成电路测试车间：职业素养、重力式测试、平移式测试、转塔式测试、料管芯片外检、料盘芯片外检、编带芯片外检、料管真空包装、料盘真空包装、编带真空包装。
每个工序实验都是按照企业中的操作模式与流程，再将关键技能点突显、简化次要内容、缩短整体的运行时间，通常包括的操作内容有：作业工位识别、本工序作业信息识读、作业程序设置(设备参数、物料或辅料参数)、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、相关设备准备、辅助工序操作、相关设备运行、质量首检/抽检、结批操作、质量外观/设备情况的判断、异常的排查与处理等，每一个步骤的操作都会就到数据库中，反馈出操作的正确情况，由于系统中的工序数量较多，为其搭建了统一的框架模板，在开始制作实验时，先将整个实验的步骤流程以及每个步骤中的操作(文字标题)放入对应位置，形成一个完整的框架，然后再依次实现具体的实验操作功能。
实验操作功能具体内容有：作业工位识别、本工序作业信息识读、作业程序设置、生产安排确认、作业物料领取、物流出入库、相关设备准备、辅助工序操作、相关设备运行、质量首检/抽检、结批操作、质量外观/设备情况的判断、异常的排查与处理等，每一个步骤的操作输送到数据库中，控制中心反馈出操作的正确情况。
数据库采用基于客户机/服务器(C/S)模式的关系数据库管理系统，通过发送HTTP请求的方式实现本操作系统的数据在服务器上的存储以及调取，同时它比浏览器/服务器(B/S)的方式加载实验交互时速度更，具体可以实现的功能主要包括：用户管理、用户保存每道工序的操作进度(可继续实验)、整体工艺的进度、每道工序的操作记录(即步骤正确情况)、每道工序的得星数、成绩管理等，利用阿里云服务器可以发布系统的更新包，本地只需下载安装包进行安装，即可远程实现版本升级与内容更新等，操作方便且高效。
步骤S4，实验完成后，按照实验过程中每个实验步骤的操作情况，在结束界面显示成绩。
实验完成，按照实验过程中每个步骤的操作情况，在结束界面显示成绩，需要计分的步骤进行赋值，操作正确即得到对应的分数，每个工序实验的总分都是100分，设置不同的分数等级会对应0-3颗星，将星星数作为下一工序解锁的判断条件，若0颗星则实验失败，下一工序无法解锁；获得足够星星数方可继续下一道工序，如此设计的目的主要有两点，一是匹配现实，前一工序没有正常完成，将会下一工序的作业；二是增学习的趣味性，激发学习者操作的热情以及得高分的冲劲。每个车间的晋级相互独立，目的是使用户可以自由参观、体验每个车间。。
每道工序制作了3个等级的考核版，分别为初级、中级、高级，其内容与难度逐级递增，初级主要包含工序的简单流程操作；中级主要增加了设备的准备、参数的判断以及操作错误的分枝；高级主要增加了故障排除。
每道工序的结尾增设了故障环节的模拟，展示常见的故障现象，对现象进行分析、说明，并仿真故障常规的处理过程，另外，每道工序中在关键位置设置了分枝，若操作错误将触发不同的结果，比如，领料时若领取了错误的物料，则会在信息核对过程中间发现物料错误，需要更换正确物料方可继续实验；再比如，调取某台设备的作业程序(存有设备参数)时选择错误，则会导致产品异常，在抽检时发现问题，对应排除后方可继续作业。
考核版设有单独的考核入口，教师端可以自由选择等级、工艺组合成一份试卷，对指定学生进行考核；学生端则可以根据发布的试卷，对应进行考核，阶段性、针对性、灵活性更强。
实训系统还包括辅助功能，辅助功能包括用于自由控制开启/关闭操作提示模块、用于声音可开启/关闭提示语音模块、用于重新进入可继续实验保存操作进度模块、作业指导模块、用于操作步骤的情况记录操作记录模块、返回主页模块，辅助功能内的模块均与实训中心的控制中心相连，其中所有的实验操作都是通过C#语言编写脚本(控制点击物体、移动等的逻辑)；设备运行、物体自身动画等通过Timeline动画系统实现；为了增加报警指示灯、场景灯的真实性、以及提示闪烁的明显度，利用highlightsystem高亮插件、dotween插件；另外，百度语音合成技术获得自然清晰的提示词的语音，以wav的音频格式导入Unity3D软件中，再对应位置进行自动调取。
利用Unity 3D在模型上制作设备运行的详细动画，包括设备结构的动作、物料在设备内部的移动、以及物料作业时的现象，再配以对应的文字介绍，形象直观地展现设备内部运行的过程，以及物料外观前后的变化，使设备内部具体过程及其原理具体展示，所有界面UI、Button按键等图标，由利用PS软件进行系统设计，并在Unity中搭建UGUI界面，通过代码控制，在对应位置进行展现。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述实训系统包括服务端与客户端，服务端由管理端和教师端构成，管理端用于用户管理、车间管理、试卷管理和版本管理，教师端用于用户管理、线上组卷和试卷管理，客户端包括学生端，学生端用于实训练习及考核，所述服务端与客户端均与实训系统内的数据库相连；
所述方法包括如下步骤：
步骤S1，先对晶圆进行制造检测，检测完成后通过多个工序制造形成集成电路，对集成电路进行测试；
步骤S2，测试完成后，通过采用三维软件3DS max多边形建模方法，建立单面模型；
步骤S3，使用Unity 3D中的FirstPersonController在整个场景中展现对应内容，作制每个工序的实验入口，对每个工序进行实验；
步骤S4，实验完成后，按照实验过程中每个实验步骤的操作情况，在结束界面显示成绩。
2.根据权利要求1所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述服务端采用SpringBoot框架快速搭建项目，SpringBoot+Mybatis实现系统主架构，采用Mysql数据库实现用户和车间工艺等相关基本信息的存储，采用Redis进行数据的缓存，项目采用前后端分离的方式开发。
3.根据权利要求1所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述步骤S2包括：将3DS max软件制作的模型导入unity 3D中，不断调整各类参数，进行场景烘焙，直到达到理想的场景效果，增强场景的质感以及逼真度。
4.根据权利要求1所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，步骤S3还包括步骤A1，所述步骤A1包括：每个工序的实验入口起始是中心区，中心区4个方向依次为4个工艺车间，进入不同车间区域将触发不同车间场景，车间内包含对应工序的工位设备，给每个工位设置触发区域，视角位置进入该区域，则可查看该工艺的对应内容。
5.根据权利要求4所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述步骤S3还包括步骤A2，所述步骤A2包括：为工序数量搭建统一的框架模板，在制作实验时，先将整个实验的步骤流程以及每个步骤中的操作序号放入对应位置，形成一个完整的框架，然后再依次实现具体的实验操作功能，每个工序实验按照企业中的操作模式与流程，再将关键技能点突显、简化次要内容、缩短整体的运行时间。
6.根据权利要求1所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，其特征在于，所述步骤S4包括：实验完成，按照实验过程中每个步骤的操作情况，在结束界面显示成绩，需要计分的步骤进行赋值，操作正确即得到对应的分数，每个工序实验的总分都是100分，设置不同的分数等级会对应0-3颗星，将星星数作为下一工序解锁的判断条件，若0颗星则实验失败，下一工序无法解锁；获得足够星星数方可继续下一道工序。
7.根据权利要求4所述的基于Unity 3D技术的集成电路制造工艺实训系统构建方法，还包括辅助功能，辅助功能包括用于自由控制开启/关闭操作提示模块、用于声音可开启/关闭提示语音模块、用于重新进入可继续实验保存操作进度模块、作业指导模块、用于操作步骤的情况记录操作记录模块、返回主页模块，所述辅助功能内的模块均与实训中心的控制中心相连。
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