光器件可靠性项目盘点

Bruce韩

可靠性测试项目与器件类型、器件应用场景关系很大，因此有必要先对器件和应用场景进行分类。

按照封装层次，可以分为5个层级（更多针对有源器件）：

1. wafer level: 晶圆级，芯片还未解理的状态

2.diode level：芯片被解理/切割成一颗颗，或者芯片贴装在热沉上的状态

3.submodule level：芯片被初步组装，但还不具备完整的光/电接口,

比如TO组件

4.module level：芯片拥有了完整的光电接口，可以进行一系列指标测试，

比如TOSA器件

5.Integrated Module：多个光电组件组成一起，形成的更上等封装，比如光模块

按道理来讲，越初级的封装，做可靠性的成本越低。比如已经在晶圆上完成了老化（burn in），那么就可以省去芯片级的老化步骤，可以节省不少工时和物料；如果提前完成了芯片非气密可靠性，那么器件或者模块的非气密可靠性更容易得到保证。

但是考虑到实际情况（主要是测试），在晶圆上不可能测出DFB的PIV或者眼图；在TO级别，没有耦合连接器，也不可能测出耦合效率。既然无法测出某些关键指标，也就无从判断是否合格，因此一般可靠性都是建立在芯片级、器件级，以及模块级的封装上。

按照应用场景分类，可分为：

• 1、温度长期处于5~40℃，低温偶尔到-5或高温偶尔到50℃的环境，比如室内环境。用于室内的模块，工作范围处于商温（0-70℃/-5-70℃）就够了。
• 2、温度不受控制，低可以到-40℃比如东北，高可以到65℃比如中东，后面全部以室外环境代替。用于室外的模块，工作温度范围一般为-40~85℃
• 下面开始盘点光器件要做的可靠性验证项目。
  1. 机械完整性
  1.1 机械冲击与振动
  当产品被运输的时候，难免抛来抛去；使用的时候，也难免磕磕碰碰；即使产品被安装在设备上了，也会有风扇引起的振动。机械冲击和振动就是针对这些情况提前做好预防与筛选工作。
• 1.2 热冲击
  当一个冷玻璃杯突然倒入开水的时候，由于剧烈的热胀冷缩引起应力，来不及释放，使得玻璃杯破裂。气密封装的光器件虽然不至于破碎，但内部气体缩胀、各材质热胀系数不一致引起的引力，也可能导致气密失效。
  热冲击主要针对气密性封装的器件，需要将器件来回浸泡在0℃的冰水混合物和100℃的开水中。浸泡时间要求不小于2分钟，且5分钟之内达到水的温，然后10秒钟之内转移到另一个水槽内。做15个循环就完成了热冲击过程。此测试仅针对气密封装器件。
• 1.3 光纤可靠性
  对于有尾纤的器件或模块，比如尾纤式TOSA，还要进行尾纤受力测试（没有尾纤的忽略此项目），根据尾纤受力形式不同，分为轴向扭转、侧向拉力、轴向拉力。主要参数就是施加力的大小，和施加力的次数或时间。力的大小和受力次数（时间）根据光纤是025带涂覆层光纤、松套光纤（如09松套）、紧套光纤（09紧套）、还是加强型光纤（如3mm中间填丝线保护光纤）而定。
• 1.4 连接器可靠性
  对于有连接器的器件和模块，需要对连接器的可靠性进行检查。
  主要包括
  插拔可靠性：和外接连接器拔插200次，监控光功率
  抗非轴向扭摆(wiggle)：Cisco 认定光学设备中光纤光缆受非轴向力时会明显导致光功率变化，这就是wiggle，还没找到标准。
  抗拉托特：要求10次测试中，小于30%的概率被拉出。
• 2. 不带电环境（存储/运输）压力可靠性
  2.1 高温/低温存储
  器件存储环境千差万别，有些器件可能放在东北，零下几十度；又些器件可能被运往中东，环境温度五十多度，车内甚至可以到70多度。因此很有必要在发货前，就验证器件是否能抗的住这些极端温度。由于只是运输存储，所以不带电。
• 一般有低温存储和高温存储。经大量经验发现，有源器件在低温下，不太可能失效，所以低温存储时间只有72小时，甚至可以不用做；而高温存储一般在85℃下存储2000h，如果器件的*高工作温度高于85℃，那么在器件*高工作温度下存储。
  相比有源器件，无源器件里面用的胶比较多，胶有个很重要的参数就是T**，T**是胶的力学特性改变温度点。因此一般无源器件在-40℃低温存储1000h。
  2.2 高低温循环
  每种材料的热膨胀系数不一样，只有在剧烈的温度变化下，才能考验不同材料是否存在失效风险。温循可比天气变化严格多了，升降温速率至少10℃/min，在85℃和-40℃这两个温度点，还要停留足够长的时间让器件达到环境温度。对于室内应用的光模块，温循100次就OK，对于室外应用光模块，需要温循500次。对于有TEC控温的模块，温循的时候，需要把TEC开着。
  
  
• 2.3 湿热
  听起湿热是不是稍感陌生，但提起双85应该很熟悉吧。湿热不一定是85℃/85%RH，也可以使其它温度和湿度的组合（75℃/90%RH），只是85℃/85%是*常用的湿热条件。湿热可以测试气密性器件的气密特性，也可以考验非气密器件的可靠性。GR-468上不分室内室外应用，推荐的85℃/85%RH时间是500h，而GR-1221推荐室外应用双85可靠性要做到至少2000h。需要注意的是，这些标准推荐的时间只是一个*低参考，具体时间可以根据产品特点而选定，也可以和后面更严格的带电双85合并。
  3. 带电（工作状态）可靠性
  3.1 高温可靠性：
  芯片/器件/模块开足马力，以*大电流或者*大功率条件下工作。这样做是为了加速失效。对于室外应用，温度设定在85℃，对于室内应用，温度设定在70℃；对于芯片级可靠性，持续时间5000h，对于器件或模块级可靠性，持续时间2000h。特别地，对于PD，温度一般设定在175℃，时间2000h。
  3.2 耐周期湿度可靠性
  湿度和温度同时变化条件下的可靠性实验，有可能会产生水汽凝结或者结霜。这个实验仅仅针对室外应用的器件和模块。该实验的温湿度控制曲线如下图，要做20个循环。一个循环下来要24小时，至少有一半的循环的*后一步要降到-10℃，停留不少于3h。
• 3.3 湿热可靠性：
  这项实验针对非气密封装的器件，85℃/85%RH，持续1000小时或2000h（视具体产品和应用而定），需要特别注意的是，并不是工作电流/出光功率越大越好，因为这样会产生大量的热，从而改变器件周围的环境。对于激光器，工作电流保持在阈值电流1.2倍就行了。
  以上项目基本上包含了可靠性认证绝大多数项目。对于上面所有项目，凡是需要拿模块做实验的，数量一般选11个；凡是拿器件或者芯片做验证的，数量一般都是22个。没有失效情况，才算通过可靠性。否则就要再做一次，但是再做一次就没必要拿这么多器件/模块出来了。
  那么具体怎么操作呢，比如进行LD的高温带电（85℃/5000h），要求LTPD为10%，投入22只样品，有1只失效了，显然这个实验没通过。那么大家按下面这个表查找，**列为失效个数，失效1个，LTPD为10，对应的数字是38，那么只需要再拿38-22=16只芯片做一次高温带电，没有失效芯片，那么这项可靠性验证就通过了！
• 以上就是的所有内容了，大家可以的拿来作为参考，欢迎大家发表自己的看法和建议。