光電子器件的新的鑒定方法

1、光電子器件的新鑒定方法1引言 光通信的發(fā)展已大大增加了諸如發(fā)生器、接收器和光學(xué)放大器之類的光電子 器件的用量。這些器件在該領(lǐng)域中的用量的增長是供應(yīng)商掌握在工業(yè)規(guī)模內(nèi)制造 的能力和論證器件可用于復(fù)雜海底或陸地通信系統(tǒng)的可靠性水平的能力的結(jié)果。就微電子學(xué)而論， 光電子器件的可靠性取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造工藝。 但是， 由于鑒定光電子器件的可靠性是最近的工作，與微電子器件相比，其背景還比較 薄弱。光電子器件包括光學(xué)、電子、熱與機(jī)械部件，它們會(huì)產(chǎn)生影響可靠性評估的 特殊問題。失效機(jī)理的典型光學(xué)特征是通過閾值或驅(qū)動(dòng)電流的漂移、 DWDM 應(yīng) 用的波長和耦合參數(shù)來監(jiān)控的。電子元件的失效與元件本身的健壯性有關(guān)

2、，但與 組裝技術(shù)的關(guān)系更大，例如，虛焊和分層。熱劣化主要受到帕爾帖( Peltier )冷 卻元件的機(jī)械健壯性的驅(qū)動(dòng)。最后，必須考慮機(jī)械方面，以防止諸如諧振和腐蝕 之類的特殊問題的發(fā)生。研究這樣的現(xiàn)象需要大量專用設(shè)備和各類對信息交換很熟練的人員，以便把 橫向連接的失效機(jī)理考慮進(jìn)去。有時(shí)候，如氣候試驗(yàn)箱那樣的電子元件用標(biāo)準(zhǔn)鑒 定設(shè)備適用于光電子器件。但對于如老練那樣的特定試驗(yàn)來說，常在廠內(nèi)研制的 專用設(shè)備也是需要的。對于測量工具來說，情況會(huì)更加嚴(yán)峻，因?yàn)閹缀鯖]有商用 設(shè)備適用于激光芯片、模塊和光纖放大器的全面表征。諸如 DWDM 應(yīng)用的頻譜 穩(wěn)定性之類的參數(shù)監(jiān)控需要合適的計(jì)量方法，同時(shí)用統(tǒng)計(jì)過程

3、控制圖來保證高再 生性/重復(fù)性測量(± 5pm 波長精度是需要的，± 2pm 是必須達(dá)到的數(shù)值)。直到今天，鑒定方法和客戶需求還是完全受到可靠性要求的驅(qū)動(dòng)。正如下面章節(jié)所討論的那樣，這種方法給出了令人滿意的但還存在問題的結(jié)果。鑒定慣例 必須遵循其發(fā)展規(guī)律，以滿足客戶的要求，同時(shí)要保持元件制造商的創(chuàng)新能力和競爭力。2 可靠性標(biāo)準(zhǔn)：很有幫助對于制造商和客戶來說，可靠性標(biāo)準(zhǔn)(IEC)或建議(Telcordia )提供了很大的幫助：首先，對于制造商來說，它們是導(dǎo)則，這些導(dǎo)則描述所有試驗(yàn)方法、時(shí)限、通過/不通過判據(jù)，并參考試驗(yàn)方法，然后使之變得適用。此外，這些導(dǎo)則還清 楚地描述了質(zhì)量

4、規(guī)則和可靠性管理。許多不同的要點(diǎn)都被包括在內(nèi)：功能度與測 量方法、輸入檢驗(yàn)與生產(chǎn)控制、毒性、安全性、腐蝕與可燃性。試驗(yàn)柵格(testgrid )一般是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的，這些試驗(yàn)的目的是通過施加熱或機(jī)械應(yīng)力來給出標(biāo)準(zhǔn)的健壯水平。下面表格給出了標(biāo)準(zhǔn)接收試驗(yàn)的兩個(gè)實(shí)例，這些實(shí)例與激光模塊和光學(xué)無源器件的可靠性試驗(yàn)有關(guān)。表1.1帶溫差環(huán)流冷卻器的氣密性有源模塊相關(guān)的GR-468-CORE的摘錄一受控環(huán)境試驗(yàn)條件時(shí)限SS機(jī)械完整性沖擊500G1ms5次/方向6個(gè)方向11振動(dòng)20g20Hz/2000Hz4min/循環(huán)3軸，4次循環(huán)/軸11熱沖擊(氣密性封裝)DT=100 °C(0100 °

5、;C)11光纖拉伸1kg3 次，5s11耐久性貯存85 °C或最高貯存溫度2000h11-40 0C或最低貯存溫度2000h11溫度循環(huán)-40 °C/7 00C停機(jī)時(shí)間15mi n100c.通過/不通過為了獲取信息，500c.11循環(huán)的耐潮性IEC-68-2-3811加速老化700C額定功率2000h通過/不通過5000h任選10濕熱85°C/85%RH 或50°C/85%RH/85%RH/85%RH11表1.2帶溫差環(huán)流冷卻器的氣密性無源模塊相關(guān)的GR-1221-CORE的摘錄一受控環(huán)境試驗(yàn)條件時(shí)限SS機(jī)械完整性沖擊500G1ms5次/方向6個(gè)方向11

6、振動(dòng)20g20Hz/2000Hz4min/循環(huán)3軸，4次循環(huán)/軸11熱沖擊（氣密性封裝）DT=100 0C(0100 °C)11光纖拉伸/電纜保 存（來 自GR-1209-CORE ）涂覆光纖0.45kg 緊包套光纖0.45kg松包套光纖1kg3 次，5s11耐久性貯存85 0C或最高貯存溫度2000h11-40 0C或最低貯存溫 度2000h11溫度循環(huán)-40 0C/7 00C 停機(jī)時(shí)間15mi n100c.通過/不通過為獲取信息，500c.11循環(huán)的耐潮性IEC-68-2-3811濕熱（氣密性封 裝）75°C/90%RH 或850C/85%RH100h通過/不通過為獲得

7、信息，500h11濕熱（非氣密性圭寸 裝）750C/90%RH 或850C/85%RH500h通過/不通過為獲得信息，2000h11對于客戶來說，試驗(yàn)完成時(shí)獲得的結(jié)果可較容易地在不同的供應(yīng)商之間進(jìn)行 比較。這是解釋 Telcordia 文件實(shí)際上是容易進(jìn)入世界市場的“魔鑰匙”的原因 之一，即使它們代表美國的建議而不是國際標(biāo)準(zhǔn)。2. 但是，標(biāo)準(zhǔn)總是最佳的2 1 一些非一致性用廠內(nèi)的鑒定程序慣例和通過與有源和無源器件供應(yīng)商接觸，揭示了若干局 限性。第一個(gè)困難是不同標(biāo)準(zhǔn)之間少量關(guān)鍵的不一致造成的結(jié)果。有一個(gè)例子涉及 到光纖 -器件接口，其強(qiáng)度是用拉伸試驗(yàn)來評價(jià)的。如表2 顯示，對于光學(xué)無源器件來說，

8、應(yīng)力在邏輯上取決于光纖保護(hù)的種類上：- 涂覆和緊包套光纖 0.45kg ；- 松包套光纖和電纜 1kg 。但是，要求對于光學(xué)有源產(chǎn)品來說是不同的，在該產(chǎn)品中，采用任選種類的 光纖保護(hù)，強(qiáng)度應(yīng)為 1kg 那么大，對于特種應(yīng)用來說甚至可達(dá)到 2kg 目的。要 達(dá)到250卩m涂覆抽頭是相當(dāng)困難的。同樣，在兩個(gè)文件中的相同等級（相同時(shí)限）上不需要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，無源 器件的要求是 100h ，激光模塊是 1000h 。這個(gè)最后的試驗(yàn)即濕熱試驗(yàn)對于制造商來說是個(gè)大問題。一方面，十年前， 器件只在幾天濕熱試驗(yàn)之后就被揭示出漂移。那時(shí)候，這個(gè)要求已成為推動(dòng)產(chǎn)品 在防潮健壯性方面進(jìn)行改進(jìn)的促進(jìn)因素。另一方面，用

9、于濕熱試驗(yàn)的條件事實(shí)上 與很少現(xiàn)場的應(yīng)用相對應(yīng)。此外，由于對劣化機(jī)理沒有進(jìn)行全面的研究，這個(gè)試 驗(yàn)不能給出精確的工作容限。這可能是由于 Telcordia 的 GR-1221-CORE 連續(xù) 出現(xiàn)問題導(dǎo)致要求下降的理由：-LTBD10% （22 個(gè)無缺陷部件） -2000h 通過/不通過（問題 194 年 11 月）-LTBD20% （11 個(gè)無缺陷部件） -500h 通過/ 不通過（問題 399 年 1 月）另一個(gè)有問題的差別是溫度循環(huán)。視范圍而定，此試驗(yàn)不針對相同的機(jī)理。 應(yīng)注意，高于 20 0C/ 分鐘的溫度梯度不允許較短的試驗(yàn)時(shí)限，但溫度梯度低于 5°C/分鐘時(shí)，溫度循環(huán)較接

10、近實(shí)際環(huán)境條件。對于EDFA來說，要求是在2°C/分鐘（GR-1312-CORE ）條件下循環(huán)100次，此時(shí)泵模塊需要200C/分鐘或更 高的溫度梯度。在一個(gè)實(shí)例中，為了評價(jià)泵供應(yīng)商，我們實(shí)施了附加的慢溫度循 環(huán)試驗(yàn)，以模擬EDFA鑒定試驗(yàn)。在100次循環(huán)時(shí)，我們觀測到1個(gè)失效，用這 種試驗(yàn)揭示的失效比供應(yīng)商參照泵標(biāo)準(zhǔn)作的試驗(yàn)揭示的失效要好。22 試驗(yàn)應(yīng)用的不同方法 另一個(gè)令人擔(dān)心的問題是由于激光器與檢測器芯片鑒定的定義造成的。對于 海底應(yīng)用來說，可靠性機(jī)理的研究是主要關(guān)心的問題，求出激活參數(shù)和相關(guān)模型 是鑒定程序的主要目的。建議查閱地面要求和試驗(yàn)矩陣，例如， Telcordia 建

11、議： 35 個(gè)器件， 2 個(gè)溫度和至少 500h 。盡管如此，供應(yīng)商的一般管理還是把可靠性 計(jì)算建立在標(biāo)準(zhǔn)建議的故障激活能的基礎(chǔ)上。因此，在這種情況下，實(shí)際的研究 未加以實(shí)施，可靠性基礎(chǔ)的了解也未加以實(shí)現(xiàn)：- 磨損機(jī)理；- 隨機(jī)機(jī)理；- 驅(qū)動(dòng)電流的影響；- 結(jié)溫的影響；- 熱阻對芯片和模塊的影響。另外，為了提高可靠性計(jì)算中的置信度，我們通常必須實(shí)施補(bǔ)充的試驗(yàn)。這 樣會(huì)對研制的延遲造成嚴(yán)重影響！對于光學(xué)無源器件來說，失效機(jī)理是不同的，主要是隨機(jī)分布。因此，初步 的研究能足以測定工藝的弱點(diǎn)和應(yīng)采取的糾正措施。盡管如此，除了早期制造階 段的 Telcordia 要求之外，在多數(shù)情況下，也未進(jìn)行可靠性

12、研究。例如，在分析 特殊供應(yīng)商的現(xiàn)場失效率時(shí)，我們觀測到，缺陷數(shù)在生產(chǎn)幾個(gè)月之后就下降。供 應(yīng)商承認(rèn)已采取了糾正措施，以解決現(xiàn)場中碰到的問題。最近幾年來，光纖技術(shù)的使用已轉(zhuǎn)向通信市場。這就使光電子器件廠商快速 增加其職工，并將其工藝轉(zhuǎn)移到新地點(diǎn)。如果工藝的所有控制和關(guān)鍵點(diǎn)未得到清 楚的了解和掌握，工藝誤差和生產(chǎn)過程變量就會(huì)產(chǎn)生其它缺陷，以致于鑒定結(jié)果 會(huì)不同于初始基準(zhǔn)值。我們至少有一次經(jīng)歷過這種情況，對于制造商來說，問題 出自非氣密封裝中粘結(jié)劑的不一致控制。預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)組織的下一步工作應(yīng)研究出類似器件的一致性方法，以制訂出一致 的文件。制造商使用標(biāo)準(zhǔn)的方法現(xiàn)在和將來都需要在客戶與供應(yīng)商之間展開討

13、論。2 3 可靠性估計(jì)和現(xiàn)場失效率的真實(shí)性現(xiàn)有各種因素影響總失效率（入：瞬時(shí)失效率）。由于生產(chǎn)工藝失效可通過適當(dāng)?shù)暮Y選程序來清除，因此只有磨損和隨機(jī)現(xiàn)象才在現(xiàn)場中被碰到。視產(chǎn)品和 機(jī)理而定，可改變計(jì)算方法：-從壽命試驗(yàn)矩陣中產(chǎn)生的磨損機(jī)理的建模使激活因素的評價(jià)和可靠性估計(jì)成為可能。對于突發(fā)性失效來說，需進(jìn)行大范圍的壽命試驗(yàn)（200個(gè)以上的器件） 來論證可靠性模型。-從現(xiàn)場中回收的材料的處理：當(dāng)隨機(jī)機(jī)理引起的失效率很低時(shí)，該失效率 不能用鑒定試驗(yàn)來評價(jià)。這樣，我們就在器件工作壽命試驗(yàn)期間計(jì)算和分析失效 的器件。對于現(xiàn)場配置的器件來說，失效數(shù)計(jì)算將給出入 的估計(jì)值。-把器件看作系統(tǒng)時(shí)，需要總計(jì)產(chǎn)品

14、所包括的每個(gè)元件的作用。這些作用是 從先前所述的方法或從已經(jīng)建立和為電子器件管理的數(shù)據(jù)庫中推論出來的。如表3所概述的那樣，產(chǎn)品的可靠性是用表 2所述的不同方法來評價(jià)的：表2入估計(jì)方法產(chǎn)品機(jī)理方法源數(shù)據(jù)激光器/檢測器芯片磨損建模加速壽命試驗(yàn)激光器/檢測器芯片隨機(jī)現(xiàn)場中建模壽命試驗(yàn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號或泵模塊磨損+隨機(jī)現(xiàn)場中建模系統(tǒng)壽命試驗(yàn)，子公司數(shù) 據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)光學(xué)接口 /光學(xué)放大器磨損+隨機(jī)現(xiàn)場中系統(tǒng)子公司數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)表3產(chǎn)品的典型可靠性產(chǎn)品器件小時(shí)非特（UCL=95% ）WDM模塊2.04 X10927泵模塊2.87 X10846放大器2.89 X108180對于隨機(jī)失效率估計(jì)來說，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的觀

15、測是判斷可靠性的最佳方法。一般 可觀測到幾個(gè)失效種類，要做到這一點(diǎn)，需要對大量累積器件小時(shí)數(shù)進(jìn)行比較。對于我們的產(chǎn)品來說，已經(jīng)為戶外應(yīng)用通過常見的接收試驗(yàn)來進(jìn)行鑒定，現(xiàn)場獲得的結(jié)果是非常令人滿意的但是，我們還知道，涉及從現(xiàn)場回收的材料的管理的置信度有問題。為了真實(shí)，我們的信息還有待完善，其中包括：- 實(shí)際失效器件數(shù)；- 失效前時(shí)限；- 工作條件；- 工作期間的可能進(jìn)展；- 維修慣例；- 工作期間的環(huán)境條件。因此，為了實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性慣例，滿足于這些數(shù)值并不重要，但要持續(xù)改進(jìn)方法，以避免正規(guī)試驗(yàn)未揭示的設(shè)計(jì)誤差。改進(jìn)產(chǎn)品可靠性有各種不同的方法，但最有效的是設(shè)計(jì)階段采取的方法，包 括：- 風(fēng)險(xiǎn)分析

16、方法：該方法用來在設(shè)計(jì)階段中盡可能早地表征潛在的產(chǎn)品弱點(diǎn)；- 加嚴(yán)試驗(yàn)：該試驗(yàn)用來加速在鑒定程序期間或客戶地點(diǎn)太遲揭示的產(chǎn)品缺 陷。3內(nèi)建可靠性方法 對于我們工作小組研制的每個(gè)新產(chǎn)品來說，各種專業(yè)的代表都參與“技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分 析，這些代表包括設(shè)計(jì)、鑒定和制造工程師，失效分析專家，以及采購與質(zhì)量工 程師。基于客戶要求的 FMEA 過程，本階段使工作小組能識別與所有設(shè)計(jì)與工藝 任選方案相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。這不僅要從研制的觀點(diǎn)而且要盡可能早地結(jié)合工業(yè)制 約的影響來做這項(xiàng)工作，以保證產(chǎn)品交付成功（成品率與成本）和保證產(chǎn)品在壽命周期中保持一致的質(zhì)量應(yīng)特別注意編制可能的可靠性影響的目錄，凡是這些根本原因都要列入：

17、原 材料選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)定義、供應(yīng)商/子承包商的工藝成熟度等。風(fēng)險(xiǎn)一旦被識別，就應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先分類，然后對其進(jìn)行評估?？梢詫Ｓ迷?樣或完整的產(chǎn)品實(shí)施的早期可靠性試驗(yàn)是由鑒定工程師來確定的，以便對健壯極 限定量和揭示預(yù)期的失效機(jī)理。這些試驗(yàn)不需要遵守任何一個(gè)常用的鑒定標(biāo)準(zhǔn)， 但經(jīng)常提供有用的數(shù)據(jù)來了解產(chǎn)品可靠性基礎(chǔ)。技術(shù)投資也得到改進(jìn)，并開辟了 鑒定過程中失效物理方法實(shí)施的途徑。這種風(fēng)險(xiǎn)分析方法的一個(gè)實(shí)例可用我們的 10G比特/s高靈敏度接收器模塊 的研制項(xiàng)目來概述。在鑒定過程初始階段中被識別的近 40個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)中，有設(shè) 計(jì)引起的若干可靠性問題通過表 5所述的專項(xiàng)試驗(yàn)被成功解決。表5用于10G比特

18、/s接收器模塊的風(fēng)險(xiǎn)分析過程的實(shí)例子元件可靠性風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)/設(shè)計(jì)方法和結(jié)果安裝在其子支座的PIN倒裝片在熱機(jī)械應(yīng)力下的粘結(jié)損耗通過剪切試驗(yàn)來為若干子支 座泵實(shí)施機(jī)械粘結(jié)表征t為 最佳芯片粘結(jié)和倒裝片工藝 控制而實(shí)現(xiàn)子支座泵金屬成 分的最佳化光電檢測器子支座和子支座保持器的等離子清潔PIN特性劣化等離子暴露的PIN的表征與老化t證明是安全的工藝光電子支座的機(jī)械組件環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的釋氣封裝密封之后的 RGA，模塊 加入纖維和模塊光靈敏度表 征之后的熱循環(huán)t被選環(huán)氧 樹脂粘結(jié)劑沒有嚴(yán)重釋氣電氣支座的機(jī)械組件金屬間擴(kuò)散 Au/SnPb t對長 期機(jī)械健壯性的影響剪切試驗(yàn)/熱循環(huán)/剪切試驗(yàn) 序列，接著做橫截面分析t實(shí) 行回流循環(huán)的最佳化，以獲得 咼剪切試驗(yàn)閾值45 0角YAG鏡頭（透鏡保持長期偶合漂移或突發(fā)性機(jī)械對基準(zhǔn)模塊實(shí)施剪切試驗(yàn)，然器/模塊封裝）失效后實(shí)施當(dāng)模塊被提交給TelcordiaGR-468-CORE 鑒定程序時(shí)，上述的早期鑒定方 法取得了首次成功。此外，通過深入了解關(guān)鍵制造步驟與對產(chǎn)品的可靠性影響之 間的直接相互作用，產(chǎn)品達(dá)到了較高質(zhì)量等級。4 .積木構(gòu)件策略和技術(shù)平臺如前所述，內(nèi)建可靠性方法是指定用來確認(rèn)基本子元件和子配件的有效性。 積木構(gòu)件概念是基于這些子元件和子配件的使用的，以確定給定產(chǎn)品的構(gòu)造。應(yīng)用到我們的產(chǎn)品文件夾中時(shí)，積木構(gòu)