光器件的可靠性：GR-468

提起光器件的可靠性,，就不得不提Telcordia,。Telcordia前身Bellcore,，1999年被科學(xué)應(yīng)用公司收購后改名Telcordia,，現(xiàn)在Telcordia屬于愛立信,。

Telcordia影響力如此之大，相信只要是咋們這個行業(yè)做過產(chǎn)品可靠性的,，應(yīng)該沒人沒聽說過Telcordia,。否則只能證明你的產(chǎn)品毫無可靠性！

Telcordia可靠性標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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。

現(xiàn)在就以GR-468為主線盤點一下可靠性測試項目：

可靠性測試項目與器件類型,、器件應(yīng)用場景關(guān)系很大,，因此有必要先對器件和應(yīng)用場景進(jìn)行分類。

按照封裝層次,，可以分為5個層級（更多針對有源器件）：

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TO組件

4.module level：芯片擁有了完整的光電接口,，可以進(jìn)行一系列指標(biāo)測試，

比如TOSA器件

5.Integrated Module：多個光電組件組成一起,，形成的更上等封裝,，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(biāo)，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

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，工作范圍處于商溫（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(jī)械完整性

1.1 機(jī)械沖擊與振動

當(dāng)產(chǎn)品被運(yùn)輸?shù)臅r候，難免拋來拋去,；使用的時候,，也難免磕磕碰碰；即使產(chǎn)品被安裝在設(shè)備上了,，也會有風(fēng)扇引起的振動,。機(jī)械沖擊和振動就是針對這些情況提前做好預(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(dá)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,。

重要的事情再說一遍,，此測試僅針對氣密封裝器件，你要是把QSFP模塊泡在水里做這個測試,，壞了可別怪我,。

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(jìn)行尾纖受力測試（沒有尾纖的忽略此項目）：

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）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(qiáng)型光纖（如3mm中間填絲線保護(hù)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(jìn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn),。

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(yùn)輸）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,；又些器件可能被運(yùn)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(yùn)輸存儲,，所以不帶電,。

一般有低溫存儲和高溫存儲。經(jīng)大量經(jīng)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)

上周武漢天氣從18℃一下降到-2℃,，然后這幾天又回到了10℃,，我們很多人身體都不“可靠了”，紛紛感冒,。但是咋光器件可不能失效啊,，否則感冒在家不能上網(wǎng)多難受。幾乎所有光器件在出廠前都要經(jīng)歷溫循考驗,。

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,。

溫循可比天氣變化嚴(yán)格多了,，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(dá)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

聽起濕熱是不是稍感陌生,，但提起雙85應(yīng)該很熟悉吧。濕熱不一定是85℃/85%RH,，也可以使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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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,。特別地,，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)的*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。

以上項目基本上包含了可靠性認(rèn)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(jìn)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！