光器件的可靠性标准(浅谈)

所谓标准，就是行业内一众高玩为市场打造的游戏规则，每个行业发展到一定阶段均会出现一些标准，方便大家在执行上达成共识。合乎标准，产品才更有市场。当前，被光电子器件行业广泛采纳的可靠性标准是GR-468-CORE-Issue2.

光器件在Telcordia可靠性标准中，对我们最具有参考意义的应该就是GR-468和GR-1209/1221了。GR-468重点讲了有源器件的可靠性标准，而GR-1209/1221重点讲无源器件的可靠性。虽然涵盖的产品种类不同，但是可靠性测试包含的项目大体相同。

下面就以GR-468为主线，盘点一下有源器件可靠性测试项目：

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

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，形成更高级封装，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。

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℃。

1. 机械完整性

1.1 机械冲击与振动

产品运输中难免被抛来抛去，使用时难免磕磕碰碰，即使被安装在设备上了，也极有可能遇到风扇引起的振动。机械冲击和振动就是针对产品可能碰到的各种不良情况，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：

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）是根据光纤是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）的压力可靠性

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；有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。经大量试验发现，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，如果器件的最高工作温度高于85℃，那么在器件最高工作温度下存储。

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Tg点，Tg点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

几乎所有光器件在出厂前都要经历高低温循环考验。

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。

温循的升降温速率至少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

湿热不一定是85℃/85%RH，也可以是其它温度和湿度的组合（75℃/90%RH），只是85℃/85%是最常用的湿热条件。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最低参考，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，以最大电流或者最大功率条件下工作，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，最后一步要降到-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。

以上测试，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。那么我们按下面这个表查找，第一列为失效个数，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！

光器件的可靠性其实是一个很复杂的系统工程，需要研发、生产、采购、质保、体系管理等多方面的参与，才能实现较高级别的可靠性保障。

参照下面光器件可靠性地图可以看到，上面对光器件可靠性测试条件做的盘点，只是光器件可靠性认证中的很小一部分，是作为研发工程师比较关注的部分。

而且上面的盘点仅列举了压力测试条件，对具体什么样的器件，应该做哪些可靠性项目说明的不充分，这次仅仅针对环境压力测试条件。

这里的芯片指的是已经贴装在热沉上，完成金丝键合的LD/PD芯片。

芯片级最重要的可靠性测试条件就是高温带电老化，特别值得注意的是由于PD失效模式对温度不太敏感，所以采用了很高的带电老化温度！如果是用于非气密封装的芯片，还要增加湿热带电老化。

器件相对于芯片，有了更复杂的结构，所以增加温度循环，以验证结构稳定性很有必要。气密的器件无须做湿热条件下的带电老化，但是有必要做湿热存储。做湿热存储仅仅是为了验证其密封性（水气渗透）是否过关。

模块基本都是非气密封装的，所以湿热存储和湿热带电老化是必做项目。

模块有更复杂的结构，所以温度循环验证结构稳定性，也是基础可靠性项目。

一般无源器件（主要是功率分配，波长分配器件）环境压力可靠性条件：

无源器件与有源器件最大的不同在于，无源器件没有光电转换过程，无源器件封装过程采用了大量胶水。相应地，在可靠性条件上，没有带电，增加了低温存储时间。

针对不同应用，不同封装类型器件，总结如下：

以上的环境压力可靠性测试只是标准推荐的条件，实际可靠性也可以不按照标准执行，比如采用等价的测试条件，或者采用更严格的测试条件。各个可靠性测试标准之间也可以相互结合使用，因为光器件越来越复杂，可以同时包含有源和无源，裸芯片与封装好的器件，所以必然涉及到多个标准的结合使用；各可靠性项目也可以合并，只做其中更严格的条件，比如做了高温带电老化，可以不用做高温存储。

以上所述所有可靠性认证项目都是定性分析，得到的数据只有合格与不合格。如果可靠性认证合格，只能定性地说产品的早期失效被筛除了，同时保证了一定的使用时间。至于器件寿命到底是多少，经过一定时间之后失效概率是多大，并不能得到。

为了得到产品的使用寿命，最简单准确的方法就是把产品放在实际的使用环境中。记录失效发生的时间和累计失效数目，然后求出产品平均寿命。

可是一般电信级光器件的设计寿命是20年，为了得到产品的寿命数据，做20年的挂机实验显然不切实际。

跟人的相貌一样，风吹日晒1个月后的样子可能跟你长大5岁后的样子一样。风吹日晒使脸蛋老化过程加速了 60倍！

同样的道理，我们可以利用各种高温、低温、湿气、大电流、电压来折磨光器件，加速光器件的失效，使几十年甚至上百年才失效的器件，在几十上百天内失效。

得到了加速老化的失效曲线，乘以加速因子，就得到了正常工作条件下的失效曲线，从而算出正常工作条件下的寿命。

不同环境压力的失效机理不一样，也有不同的加速因子。

温度越高，原子平均能量就越大，原子离开自己原有位置，形成缺陷的概率就越大。一切与温度相关的加速失效都满足方程Arrhenius方程。

一方面，湿气相当于溶液，会促进有害离子的运输，引起腐蚀反应；另一方面，湿气进入产品内部，会形成气泡，温度变化时会产生应力，对器件结构产生损伤。

温度循环会导致不同膨胀系数的材料受到循环应力，温差越大，循环应力的峰值越大，对结构的疲劳损伤就越强烈。因此温度加速因子实际上是循环应力引起的加速失效。

电流、电压，光功率也是常用的加速条件，它们的加速因子与湿度和温度类似，满足指数关系。 如果有多个加速条件存在，总加速因子就是各个条件加速因子的乘积。

有了加速因子，各种不同的压力测试条件就有了定量的可比性，甚至可以根据实际情况，调整环境压力条件，只要不同环境压力下，同样失效模式的加速因子相当即可。