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技术干货| 浅谈通信设备用光电子器件可靠性测试标准GR-468(上)

点击次数:1043 更新时间:2023-10-19

GR-468标准简介

        今天简单聊一聊通信应用中光电子器件的可靠性测试。主要参考的是Telcordia发布的《Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment, GR-468-CORE-Issue 2, 2004》。中国在2007年也发布了国标GB/T 21194-2007:《通信设备用的光电子器件的可靠性通用要求》,主要也是参考GR-468制定的。GR-468针对的是电信级应用的长寿命光电子器件。涉及激光器、发光二极管LED、探测器、EML电吸收调制器及其他外调制器等。该标准是为这些器件能够有20年以上的预期寿命所进行的可靠性要求。

        GR-468中提到了六个可靠性保证程序的组成要素,图1分别对这六个项目所涉及到的主要内容进行了说明。除可靠性验证外,其他五项旨在通过全面的可靠性保证计划来控制产品在生产过程中的可靠性,主要包括供应商审核、逐批的质量和可靠性控制、反馈和纠正措施、存储和处理程序以及过程中文档库的整理。

 

图1 可靠性认证的六个基本项目

        在光电子器件中,即使最初测试合格客户/供应商已确认,也需要定时进行重新确认。客户至少每两年进行一次复核,对可靠性数据进行重点审查,确保供应商的运营处于质量可控之下。客户应对每个批次都做测试和分析,并检查和纠正生产过程或现场应用报告中的任何问题,及时反馈给供应商。供应商的认证测试结果,需清楚记录,并保存五年以上。

        这主要是在器件制造、组装以及测试筛选过程中,微小差异都可能导致对可靠性产生巨大影响,光电子器件不能像其他元器件,通过“相似”、“类似”或者“产品系列”来做通用性鉴定。比如光模块采用同样的激光器,同样的生产线,仅仅是耦合后的实际功率有差异,也需要重新认证,分析其失效和劣化原因。

采购方需要对光电器件的存放十分小心,避免潮湿/过热的环境,严格遵守防静电流程。

 

标准中的器件分级

        由于可靠性测试项目与器件类型、器件应用场景关系很大,因此有必要对器件和应用场景进行分类。GR-468中按封装层次对产品进行分级(主要针对有源器件):

        1. wafer level: 晶圆级,芯片还未解理的状态。GR-468不包括晶圆级的可靠性认证和测试定义。

        2. diode level:芯片级,GR-468很多定义是和芯片强相关的,但是这些芯片必须得放在一个载体上才能工作测试。因此芯片级还需要在子组件基本进行测试和认证。

        3. submodule level:光组件级,芯片被初步组装,但还不具备完整的光/电接口,比如TOcan或COC。

        4. module level:光器件级,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、ROSA、BOX等。

        5. Integrated Module:光模块级,通信等应用中的最终产品形态。

图2 按照封装层次可以将有源器件分为5个层级

不同应用环境分类

        针对不同的应用场景,主要分为受控环境(CO)和非受控环境(UNC)。由于光电子器件对温度环境敏感,因此在不同环境下对光模块的操作温度、范围以及可靠性要求不一样:

        1. CO环境,长期温度限制在5~40°C,短期内-5~50℃,光器件的工作温度需要延伸20°C。因此器件的工作范围处于-5~70℃。

        2. UNC环境,室外温度气温在-40℃~+46℃,通信设备周围空气温度可达65℃,光器件工作温度需延伸20℃,因此器件的工作范围处于-40℃~85℃。

光器件中失效率

        同其他类型器件相似,光器件的故障率也可以用FIT来表示,Failure in Time。1 FIT的定义为运行10亿小时出现一个故障。光电子器件的故障率在不同的时间的变化也符合浴盆曲线。根据浴盆曲线,光电子器件的失效主要分为3个阶段:

        1) 早期失效。这一阶段问题较多,暴露较快,当这些问题逐渐得到处理后,故障率由高到低发生变化,随时间增加趋于稳定。对于早期失效期,需要经过早期筛查检测,尽快去除影响;

        2) 随机故障。设备处于正常运转状态,故障率较低且稳定,甚至基本保持不变,这段时间称为设备作业的最佳时期,也是设备的有效寿命期。光电子行业相比于集成电路,随机故障率高,光模块的热插拔封装来由,其中一个因素是能快速维修和更换,尽量降低失效对整体系统性能的影响;

        3) 磨损故障。这个时期设备故障率急剧升高,主要是由于设备经过较长时间的运转使用,某些零件的磨损进入剧烈磨损阶段,有效使用寿命结束,设备已处于不正常状态。

 

图3 失效率浴盆曲线

(来源:Sangdeok Kim KL, Semin Cho. The Lifetime of a Human and Semiconductor: eetimes; 2021)

        一般电信级应用要求光器件的工作寿命是20年,二十年累积失效率小于100 FITs。在实际试验中通常采用加速老化试验的方法,通过提高应力,用数千小时的试验结果来推算器件的工作寿命,然后选择恰当的概率分布去计算器件的失效率。加速寿命试验的理论基础是Arrhenius 方程:

        其中β为调整系数,Ea为活化能,kB 为玻尔兹曼常数 ,Ti为工作温度。Arrhenius方程是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式,适用于单一因素影响下的老化过程。通过对比正常工作温度T0与高加速温度Ti,可以估算出其加速系数τ:

        针对激活能的计算方法以及常见器件的激活能数值可靠性知识GR-468均有说明,下表是标准中给出的不同器件在不同失效期时的参考活化能Ea。需要注意的是,Ea取值的不同将很大程度上影响到加速系数和最终的老化时间,在条件允许的情况下,产品应该尽量通过不同温度下的加速老化实验确定准确的活化能。

表1 GR-468中给出不同器件的参考激活能

(来源:Telcordia: Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment, GR-468 Issue Number 02 (2004))

广电计量光电子器件验证服务

        广电计量是国内S家完成激光发射器、探测器全套AEC-Q102车规认证的第三方检测机构,具备APD、VCSEL、PLD等批次性验证试验能力。在此基础上,广电计量现已全面开展通信用光电子器件的可靠性测试认证服务,在人才队伍上,形成以博士、专家为核心的光电器件测试分析团队,具备国内专业的光电子器件测试标准解读能力和试验能力,能够提供一站式光电子器件测试方案。