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光器件的可靠性你可以這樣測試
閱讀：1919 發布時間：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、器件應用場景關系很大，所以有必要先對器件和應用場景進行分類。
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。
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。
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。
按照應用場景分類，可分為室內/室外環境：
1.溫度長期處于5~40℃，低溫偶爾到-5℃或高溫偶爾到50℃的環境，比如室內環境。用于室內的模塊，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，即使被安裝在設備上了，也極有可能遇到風扇引起的振動。機械沖擊和振動就是針對產品可能碰到的各種不佳情況，提前做好預防與篩選工作。
1.2 熱沖擊
當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，但內部氣體縮脹、各材質熱脹系數不一致引起的引力，也可能導致氣密失效。
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分鐘之內達到水的溫，然后10秒鐘之內轉移到另一個水槽內。做15個循環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：
根據尾纖受力形式不同，分為軸向扭轉、側向拉力、軸向拉力。主要參數就是施加力的大小和施加力的次數或時間。力的大小和受力次數（時間）是根據光纖是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，監控光功率。
抗非軸向扭擺(wiggle)：Cisco 認定光學設備中光纖光纜受非軸向力時會明顯導致光功率變化，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. 不帶電環境（存儲/運輸）的壓力可靠性
2.1 高溫/低溫存儲
器件存儲環境千差萬別，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，環境溫度五十多度，車內甚至可以到70多度。因此很有必要在發貨前，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。經大量試驗發現，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就是T**，T**是膠的力學特性改變溫度點。因此一般無源器件在-40℃低溫存儲1000h。
2.2 高低溫循環
幾乎所有光器件在出廠前都要經歷高低溫循環考驗。
每種材料的熱膨脹系數不一樣，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境溫度。對于室內應用的光模塊，溫循100次就OK，對于室外應用光模塊，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上不分室內室外應用，推薦的85℃/85%RH時間是500h，而GR-1221推薦室外應用雙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，具體時間可以根據產品特點而選定，也可以和后面更嚴格的帶電雙85合并。
3. 帶電（工作狀態）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。對于室外應用，溫度設定在85℃，對于室內應用，溫度設定在70℃。對于芯片級可靠性，持續時間5000h；對于器件或模塊級可靠性，持續時間2000h。特別對于PD，溫度一般設定在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，有可能會產生水汽凝結或者結霜。這個實驗僅僅針對室外應用的器件和模塊。該實驗的溫濕度控制曲線如下圖，要做20個循環，一個循環下來要24小時；至少有一半的循環，*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1000小時或2000h（視具體產品和應用而定）。需要特別注意的是，并不是工作電流/出光功率越大越好，因為這樣會產生大量的熱，從而改變器件周圍的環境。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項目。對于上面所有項目，凡是需要拿模塊做實驗的，數量一般選11個；凡是拿器件或者芯片做驗證的，數量一般都是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，失效1個，LTPD為10，對應的數字是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雜的系統工程，需要研發、生產、采購、質保、體系管理等多方面的參與，才能實現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，是作為研發工程師比較關注的部分。
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，應該做哪些可靠性項目說明的不充分，這次僅僅針對環境壓力測試條件。
芯片級的環境壓力可靠性條件：
這里的芯片指的是已經貼裝在熱沉上，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。
器件級的環境壓力可靠性條件：
器件相對于芯片，有了更復雜的結構，所以增加溫度循環，以驗證結構穩定性很有必要。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。
模塊級別的環境壓力可靠性條件：
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。
模塊有更復雜的結構，所以溫度循環驗證結構穩定性，也是基礎可靠性項目。
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換過程，無源器件封裝過程采用了大量膠水。相應地，在可靠性條件上，沒有帶電，增加了低溫存儲時間。
針對不同應用，不同封裝類型器件，總結如下：
以上的環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合使用，因為光器件越來越復雜，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，得到的數據只有合格與不合格。如果可靠性認證合格，只能定性地說產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，經過一定時間之后失效概率是多大，并不能得到。
為了得到產品的使用壽命，*簡單準確的方法就是把產品放在實際的使用環境中。記錄失效發生的時間和累計失效數目，然后求出產品平均壽命。
可是一般電信級光器件的設計壽命是20年，為了得到產品的壽命數據，做20年的掛機實驗顯然不切實際。
跟人的相貌一樣，風吹日曬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，濕氣相當于溶液，會促進有害離子的運輸，引起腐蝕反應；另一方面，濕氣進入產品內部，會形成氣泡，溫度變化時會產生應力，對器件結構產生損傷。
溫度循環加速失效：
溫度循環會導致不同膨脹系數的材料受到循環應力，溫差越大，循環應力的峰值越大，對結構的疲勞損傷就越強烈。因此溫度加速因子實際上是循環應力引起的加速失效。
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，滿足指數關系。 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，甚至可以根據實際情況，調整環境壓力條件，只要不同環境壓力下，同樣失效模式的加速因子相當即可。