化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
光器件的可靠性你可以這樣測試
閱讀：2138 發(fā)布時間：2019-10-25光器件的可靠性你可以這樣測試
光器件在Telcordia可靠性標準中,，對我們*具有參考意義的應(yīng)該就是GR-468和GR-1209/1221了。GR-468重點講了有源器件的可靠性標準,，而GR-1209/1221重點講無源器件的可靠性,。雖然涵蓋的產(chǎn)品種類不同，但是可靠性測試包含的項目大體相同,。
下面就以GR-468為主線,，盤點一下有源器件可靠性測試項目：
因為可靠性測試項目與器件類型、器件應(yīng)用場景關(guān)系很大,，所以有必要先對器件和應(yīng)用場景進行分類,。
按照封裝層次，有源器件可以分為5個層級：
1. wafer level: 晶圓級,，芯片還未解理的狀態(tài),。
2.diode level：芯片被解理/切割成一顆顆，或者芯片貼裝在熱沉上的狀態(tài),。
3.submodule level：芯片被初步組裝,，但還不具備完整的光/電接口，比如比如TO組件,。
4.module level：芯片擁有了完整的光電接口,，可以進行一系列指標測試，比如TOSA器件,。
5.Integrated Module：多個光電組件組成一起,，形成更上等封裝，比如光模塊,。
按道理來講,，越初級的封裝，做可靠性的成本越低,。比如已經(jīng)在晶圓上完成了老化（burn in）,，那么就可以省去芯片級的老化步驟，可以節(jié)省不少工時和物料,；如果提前完成了芯片非氣密可靠性,，那么器件或者模塊的非氣密可靠性更容易得到保證。
但是考慮到實際情況（主要是測試）,，在晶圓上不可能測出DFB的PIV或者眼圖,；在TO級別，沒有耦合連接器,，也不可能測出耦合效率,。既然無法測出某些關(guān)鍵指標,，也就無從判斷是否合格，因此一般可靠性都是建立在芯片級,、器件級以及模塊級的封裝上,。
按照應(yīng)用場景分類，可分為室內(nèi)/室外環(huán)境：
1.溫度長期處于5~40℃,，低溫偶爾到-5℃或高溫偶爾到50℃的環(huán)境,，比如室內(nèi)環(huán)境。用于室內(nèi)的模塊,，工作范圍處于0-70℃/-5-70℃就夠了,。
2.溫度不受控制，低可以到-40℃(比如東北),，高可以到65℃(比如中東),，后面全部以室外環(huán)境代替。用于室外的模塊,，工作溫度范圍一般為-40~85℃,。
下面開始盤點光器件要做的可靠性驗證項目
1. 機械完整性
1.1 機械沖擊與振動
產(chǎn)品運輸中難免被拋來拋去，使用時難免磕磕碰碰,，即使被安裝在設(shè)備上了,，也極有可能遇到風(fēng)扇引起的振動。機械沖擊和振動就是針對產(chǎn)品可能碰到的各種不佳情況,，提前做好預(yù)防與篩選工作,。
1.2 熱沖擊
當(dāng)一個冷玻璃杯突然倒入開水的時候，由于劇烈的熱脹冷縮,，引起應(yīng)力來不及釋放,，使得玻璃杯破裂。氣密封裝的光器件雖然不至于破碎,，但內(nèi)部氣體縮脹,、各材質(zhì)熱脹系數(shù)不一致引起的引力，也可能導(dǎo)致氣密失效,。
熱沖擊主要針對氣密性封裝的器件,，需要將器件來回浸泡在0℃的冰水混合物和100℃的開水中。浸泡時間要求不小于2分鐘,，且5分鐘之內(nèi)達到水的溫,，然后10秒鐘之內(nèi)轉(zhuǎn)移到另一個水槽內(nèi)。做15個循環(huán)就完成了熱沖擊過程,。
此測試僅針對氣密封裝器件,。
1.3 光纖可靠性
對于有尾纖的器件或模塊，比如尾纖式TOSA,，還要進行尾纖受力測試：
根據(jù)尾纖受力形式不同,，分為軸向扭轉(zhuǎn),、側(cè)向拉力,、軸向拉力,。主要參數(shù)就是施加力的大小和施加力的次數(shù)或時間。力的大小和受力次數(shù)（時間）是根據(jù)光纖是025帶涂覆層光纖,、松套光纖（如09松套）,、緊套光纖（09緊套），還是加強型光纖（如3mm中間填絲線保護光纖）而定,。
1.4 連接器可靠性
對于有連接器的器件和模塊,，需要對連接器的可靠性進行檢查。
主要包括
插拔可靠性：和外接連接器拔插200次,，監(jiān)控光功率,。
抗非軸向扭擺(wiggle)：Cisco 認定光學(xué)設(shè)備中光纖光纜受非軸向力時會明顯導(dǎo)致光功率變化，這就是wiggle,，還沒找到標準,。
抗拉托特：要求10次測試中，小于30%的概率被拉出,。
2. 不帶電環(huán)境（存儲/運輸）的壓力可靠性
2.1 高溫/低溫存儲
器件存儲環(huán)境千差萬別,，有些器件可能放在東北，零下幾十度,；有些器件可能被運往中東,，環(huán)境溫度五十多度，車內(nèi)甚至可以到70多度,。因此很有必要在發(fā)貨前,，就驗證器件是否能抗的住這些溫度。由于只是運輸存儲,，所以不帶電,。
一般有低溫存儲和高溫存儲。經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn),，有源器件在低溫下,，不太可能失效，所以低溫存儲時間只有72小時,，甚至可以不用做,。而高溫存儲一般在85℃下存儲2000h，如果器件的*高工作溫度高于85℃,，那么在器件*高工作溫度下存儲,。
相比有源器件，無源器件里面用的膠比較多,，膠有個很重要的參數(shù)就是T**,，T**是膠的力學(xué)特性改變溫度點,。因此一般無源器件在-40℃低溫存儲1000h。
2.2 高低溫循環(huán)
幾乎所有光器件在出廠前都要經(jīng)歷高低溫循環(huán)考驗,。
每種材料的熱膨脹系數(shù)不一樣,，只有在劇烈的溫度變化下，才能考驗不同材料是否存在失效風(fēng)險,。
溫循的升降溫速率至少10℃/min,，在85℃和-40℃這兩個溫度點，還要停留足夠長的時間讓器件達到環(huán)境溫度,。對于室內(nèi)應(yīng)用的光模塊,，溫循100次就OK，對于室外應(yīng)用光模塊,，需要溫循500次,。對于有TEC控溫的模塊，溫循的時候,，需要把TEC開著,。
2.3 濕熱
濕熱不一定是85℃/85%RH，也可以是其它溫度和濕度的組合（75℃/90%RH）,，只是85℃/85%是*常用的濕熱條件,。濕熱可以測試氣密性器件的氣密特性，也可以考驗非氣密器件的可靠性,。GR-468上不分室內(nèi)室外應(yīng)用,，推薦的85℃/85%RH時間是500h，而GR-1221推薦室外應(yīng)用雙85可靠性要做到至少2000h,。需要注意的是,，這些標準推薦的時間只是一個*低參考，具體時間可以根據(jù)產(chǎn)品特點而選定,，也可以和后面更嚴格的帶電雙85合并,。
3. 帶電（工作狀態(tài)）可靠性
3.1 高溫可靠性：
芯片/器件/模塊開足馬力，以*大電流或者*大功率條件下工作,，這樣做是為了加速失效,。對于室外應(yīng)用，溫度設(shè)定在85℃,，對于室內(nèi)應(yīng)用,，溫度設(shè)定在70℃。對于芯片級可靠性,，持續(xù)時間5000h,；對于器件或模塊級可靠性，持續(xù)時間2000h。特別對于PD,，溫度一般設(shè)定在175℃,，時間2000h。
3.2 耐周期濕度可靠性
濕度和溫度同時變化條件下的可靠性實驗,，有可能會產(chǎn)生水汽凝結(jié)或者結(jié)霜,。這個實驗僅僅針對室外應(yīng)用的器件和模塊。該實驗的溫濕度控制曲線如下圖,，要做20個循環(huán),，一個循環(huán)下來要24小時,；至少有一半的循環(huán),，*后一步要降到-10℃，停留不少于3h,。
3.3 濕熱可靠性：
這項實驗針對非氣密封裝的器件,，85℃/85%RH，持續(xù)1000小時或2000h（視具體產(chǎn)品和應(yīng)用而定）,。需要特別注意的是,，并不是工作電流/出光功率越大越好，因為這樣會產(chǎn)生大量的熱,，從而改變器件周圍的環(huán)境,。對于激光器，工作電流保持在閾值電流1.2倍就行了,。
以上測試,，基本上包含了可靠性認證絕大多數(shù)項目。對于上面所有項目,，凡是需要拿模塊做實驗的,，數(shù)量一般選11個；凡是拿器件或者芯片做驗證的,，數(shù)量一般都是22個,。沒有失效情況，才算通過可靠性,。否則,，就要再做一次。但是再做一次就沒必要拿這么多器件/模塊出來了,。
那么,，具體怎么操作呢？比如進行LD的高溫帶電（85℃/5000h）,，要求LTPD為10%,，投入22只樣品，有1只失效了,，顯然這個實驗沒通過,。那么我們按下面這個表查找,，**列為失效個數(shù)，失效1個,，LTPD為10,，對應(yīng)的數(shù)字是38，那么只需要再拿38-22=16只芯片做一次高溫帶電,，沒有失效芯片,，那么這項可靠性驗證就通過了！
光器件的可靠性其實是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)工程,，需要研發(fā),、生產(chǎn)、采購,、質(zhì)保,、體系管理等多方面的參與，才能實現(xiàn)較上等別的可靠性保障,。
參照下面光器件可靠性地圖可以看到,，上面對光器件可靠性測試條件做的盤點，只是光器件可靠性認證中的很小一部分,，是作為研發(fā)工程師比較關(guān)注的部分,。
而且上面的盤點僅列舉了壓力測試條件，對具體什么樣的器件,，應(yīng)該做哪些可靠性項目說明的不充分,，這次僅僅針對環(huán)境壓力測試條件。
芯片級的環(huán)境壓力可靠性條件：
這里的芯片指的是已經(jīng)貼裝在熱沉上,，完成金絲鍵合的LD/PD芯片,。
芯片級*重要的可靠性測試條件就是高溫帶電老化，特別值得注意的是由于PD失效模式對溫度不太敏感,，所以采用了很高的帶電老化溫度,！如果是用于非氣密封裝的芯片，還要增加濕熱帶電老化,。
器件級的環(huán)境壓力可靠性條件：
器件相對于芯片,，有了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以增加溫度循環(huán),，以驗證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很有必要,。氣密的器件無須做濕熱條件下的帶電老化，但是有必要做濕熱存儲,。做濕熱存儲僅僅是為了驗證其密封性（水氣滲透）是否過關(guān),。
模塊級別的環(huán)境壓力可靠性條件：
模塊基本都是非氣密封裝的，所以濕熱存儲和濕熱帶電老化是必做項目。
模塊有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，所以溫度循環(huán)驗證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,，也是基礎(chǔ)可靠性項目。
一般無源器件（主要是功率分配,，波長分配器件）環(huán)境壓力可靠性條件：
無源器件與有源器件*大的不同在于,，無源器件沒有光電轉(zhuǎn)換過程，無源器件封裝過程采用了大量膠水,。相應(yīng)地,，在可靠性條件上，沒有帶電,，增加了低溫存儲時間,。
針對不同應(yīng)用，不同封裝類型器件,，總結(jié)如下：
以上的環(huán)境壓力可靠性測試只是標準推薦的條件,，實際可靠性也可以不按照標準執(zhí)行，比如采用等價的測試條件,，或者采用更嚴格的測試條件。各個可靠性測試標準之間也可以相互結(jié)合使用,，因為光器件越來越復(fù)雜,，可以同時包含有源和無源，裸芯片與封裝好的器件,，所以必然涉及到多個標準的結(jié)合使用,；各可靠性項目也可以合并，只做其中更嚴格的條件,，比如做了高溫帶電老化,，可以不用做高溫存儲。
以上所述所有可靠性認證項目都是定性分析,，得到的數(shù)據(jù)只有合格與不合格,。如果可靠性認證合格，只能定性地說產(chǎn)品的早期失效被篩除了,，同時保證了一定的使用時間,。至于器件壽命到底是多少，經(jīng)過一定時間之后失效概率是多大,，并不能得到,。
為了得到產(chǎn)品的使用壽命，*簡單準確的方法就是把產(chǎn)品放在實際的使用環(huán)境中,。記錄失效發(fā)生的時間和累計失效數(shù)目,，然后求出產(chǎn)品平均壽命。
可是一般電信級光器件的設(shè)計壽命是20年，為了得到產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù),，做20年的掛機實驗顯然不切實際,。
跟人的相貌一樣，風(fēng)吹日曬1個月后的樣子可能跟你長大5歲后的樣子一樣,。風(fēng)吹日曬使臉蛋老化過程加速了 60倍,！
同樣的道理，我們可以利用各種高溫,、低溫,、濕氣、大電流,、電壓來折磨光器件,，加速光器件的失效，使幾十年甚至上百年才失效的器件,，在幾十上百天內(nèi)失效,。
得到了加速老化的失效曲線，乘以加速因子,，就得到了正常工作條件下的失效曲線,，從而算出正常工作條件下的壽命。
不同環(huán)境壓力的失效機理不一樣,，也有不同的加速因子,。
溫度加速失效：
溫度越高，原子平均能量就越大,，原子離開自己原有位置,，形成缺陷的概率就越大。一切與溫度相關(guān)的加速失效都滿足方程Arrhenius方程,。
濕度加速失效：
一方面,，濕氣相當(dāng)于溶液，會促進有害離子的運輸,，引起腐蝕反應(yīng),；另一方面，濕氣進入產(chǎn)品內(nèi)部,，會形成氣泡,，溫度變化時會產(chǎn)生應(yīng)力，對器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷,。
溫度循環(huán)加速失效：
溫度循環(huán)會導(dǎo)致不同膨脹系數(shù)的材料受到循環(huán)應(yīng)力,，溫差越大，循環(huán)應(yīng)力的峰值越大,，對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷就越強烈,。因此溫度加速因子實際上是循環(huán)應(yīng)力引起的加速失效,。
其它加速失效：
電流、電壓,，光功率也是常用的加速條件,，它們的加速因子與濕度和溫度類似，滿足指數(shù)關(guān)系,。 如果有多個加速條件存在,，總加速因子就是各個條件加速因子的乘積。
有了加速因子,，各種不同的壓力測試條件就有了定量的可比性,，甚至可以根據(jù)實際情況，調(diào)整環(huán)境壓力條件,，只要不同環(huán)境壓力下,，同樣失效模式的加速因子相當(dāng)即可。