在芯片失效分析中，电学短路是最常见也最棘手的问题之一。它可能表现为电源对地漏电、I/O引脚间低阻导通，甚至功能完全失效。然而，这类故障往往无明显烧毁痕迹，传统光学或电性测试仅能确认“有短路”，却无法指出“短路在哪”。
此时，OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change） 技术便成为失效分析工程师的“高精度雷达”。通过聚焦激光扫描芯片表面，OBIRCH能以亚微米级分辨率定位高电流路径或低阻异常点，尤其适用于金属桥接、通孔短路、栅氧击穿等隐蔽性缺陷。
本文将系统讲解OBIRCH的工作原理、关键参数设置、信号处理技巧及提升定位精度的实战方法，帮助您高效完成短路故障诊断。
一、OBIRCH是什么？原理简明解析
OBIRCH是一种基于激光热效应的电性故障定位技术，属于被动式光发射分析（Passive Optical Analysis） 的延伸。
🔬 基本原理：
- 芯片在外部电源偏置下处于工作或待测状态；
- 一束近红外或可见光激光（通常波长1064nm或532nm）聚焦扫描芯片表面；
- 激光局部加热金属或半导体材料，导致其电阻发生瞬时微小变化；
- 若该区域存在异常高电流密度（如短路点），电阻变化会引发可测量的电流或电压扰动；
- 系统同步记录扰动信号强度，并映射为二维图像——信号最强处即为故障热点。
✅ 优势：
- 非破坏性、无需去层；
- 分辨率可达 0.3–0.5 μm；
- 对金属层短路、接触不良、漏电路径均敏感。
二、OBIRCH测试前的关键准备
成功的OBIRCH分析始于充分的前期准备：
| 步骤 | 说明 |
|---|---|
| 1. 电性初筛 | 通过IV曲线确认短路存在，并估算阻值范围（如<1Ω为硬短路，kΩ级为软短路） |
| 2. 偏置条件设置 | 施加适当电压/电流，确保故障点处于激活状态（但避免二次损伤） |
| 3. 样品处理 | 去除封装顶部（Decap）或使用背面减薄（Backside Thinning），确保激光可穿透至金属层 |
| 4. 选择扫描面 | 优先从芯片正面（Frontside） 扫描金属互连层；若为先进封装，可考虑背面红外激光穿透 |
⚠️ 注意：OBIRCH对金属层缺陷最敏感，对深埋于硅衬底的结区短路效果有限，此时需结合EMMI或TIVA。
三、激光扫描参数设置指南
参数设置直接影响信号信噪比与定位精度。以下是核心参数建议：
| 参数 | 推荐设置 | 说明 |
|---|---|---|
| 激光波长 | 1064nm（红外） | 穿透力强，适用于硅基芯片背面扫描；532nm用于正面金属层 |
| 激光功率 | 10–100 mW（逐步调试） | 功率过低信号弱，过高可能引起热损伤或假阳性 |
| 扫描步长 | 0.2–0.5 μm | 步长越小，分辨率越高，但耗时增加 |
| 调制频率 | 1–10 kHz | 高频可抑制环境噪声，提升锁相放大器灵敏度 |
| 偏置模式 | 恒压或恒流 | 恒流模式更适合低阻短路，恒压适合高阻漏电 |
💡 实操技巧：先以大步长（1μm）快速扫描全芯片，锁定疑似区域后，再以0.3μm步长精细成像。
四、信号处理与图像解读
OBIRCH输出通常为热图（Thermal Map） 或差分信号图，正确解读是关键：
✅ 有效信号特征：
- 局部亮点集中，尺寸小于1μm；
- 信号强度随激光功率线性增强；
- 在多次重复扫描中位置稳定；
- 与电路版图中高电流路径（如电源线、驱动管）位置吻合。
❌ 常见干扰源：
- 金属反光：造成虚假高信号，可通过偏振滤光片抑制；
- 表面污染：灰尘或残留物吸热产生噪声，需清洁样品；
- 热扩散效应：大功率下热量扩散导致热点模糊，应降低功率重测。
📊 进阶技巧：结合锁相放大技术（Lock-in Amplifier），仅提取与激光调制频率同步的信号，可大幅提升信噪比。
五、提升OBIRCH定位精度的三大策略
| 策略 | 具体做法 |
|---|---|
| 1. 多角度验证 | 结合IV曲线、TIVA、FIB-SEM进行交叉确认，避免误判 |
| 2. 分层扫描 | 若芯片有多层金属，可逐层扫描（需配合去层工艺），精确定位Z轴深度 |
| 3. 与版图对齐（Overlay） | 将OBIRCH图像与GDS版图叠加，直接关联物理位置与电路功能 |
🌟 案例：某MCU芯片因Via填充不良导致M1-M2短路，OBIRCH在第二层金属扫描中清晰显示0.4μm亮点，经FIB剖面验证完全吻合。
总结
OBIRCH作为芯片失效分析中定位电学短路的“利器”，凭借其高分辨率、非破坏性和对金属缺陷的高度敏感性，已成为先进FA实验室的标准配置。掌握其原理、合理设置参数、科学处理信号，是快速锁定故障点的关键。
在上海德垲检测的实践中，OBIRCH常与EMMI、FIB-SEM、TIVA等技术联用，构建“电性定位→物理验证→根因分析”的完整闭环，显著提升短路类失效的解决效率。
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