光電子器件的新鑒定方法-

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、接收器和光學放大器之類的光電子器件的用量。這些器件在該領域中的用量的增長是供應商掌握在工業(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。就微電子學而論,光電子器件的可靠性取決于產(chǎn)品的設計與制造工藝。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、電子、熱與機械部件,它們會產(chǎn)生影響可靠性評估的特殊問題。失效機理的典型光學特征是通過閾值或驅(qū)動電流的漂移、DWDM應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,但與組裝技術的關系

2、更大,例如,虛焊和分層。熱劣化主要受到帕爾帖(Peltier冷卻元件的機械健壯性的驅(qū)動。最后,必須考慮機械方面,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理考慮進去。有時候,如氣候試驗箱那樣的電子元件用標準鑒定設備適用于光電子器件。但對于如老練那樣的特定試驗來說,常在廠內(nèi)研制的專用設備也是需要的。對于測量工具來說,情況會更加嚴峻,因為幾乎沒有商用設備適用于激光芯片、模塊和光纖放大器的全面表征。諸如DWDM應用的頻譜穩(wěn)定性之類的參數(shù)監(jiān)控需要合適的計量方法,同時用統(tǒng)計過程控制圖來保證高再生性/重復性測量(5pm 波長

3、精度是需要的,2pm是必須達到的數(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。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,同時要保持元件制造商的創(chuàng)新能力和競爭力。2.可靠性標準:很有幫助對于制造商和客戶來說,可靠性標準(IEC或建議(Telcordia提供了很大的幫助:首先,對于制造商來說,它們是導則,這些導則描述所有試驗方法、時限、通過/不通過判據(jù),并參考試驗方法,然后使之變得適用。此外,這些導則還清楚地描述了質(zhì)量規(guī)則和可靠性管理。許多不同的要點都被包括在內(nèi):功能度與測量方法、輸入檢驗與生產(chǎn)控制、毒性、

4、安全性、腐蝕與可燃性。試驗柵格(test grid一般是以試驗為基礎的,這些試驗的目的是通過施加熱或機械應力來給出標準的健壯水平。下面表格給出了標準接收試驗的兩個實例,這些實例與激光模塊和光學無源器件的可靠性試驗有關。表1.1 帶溫差環(huán)流冷卻器的氣密性有源模塊相關的GR-468-CORE的摘錄受控環(huán)境試驗條件時限SS 沖擊500G 1ms5次/方向6個方向11振動20g20Hz/2000Hz 4min/循環(huán)3軸,4次循環(huán)/軸11熱沖擊(氣密性封裝DT=1000C(01000C11機械完整性光纖拉伸1kg 3次,5s 11850C或最高貯存溫度2000h 11貯存-400C或最低貯存溫度2000

5、h 11溫度循環(huán)-400C/700C停機時間15min 100c.通過/不通過為了獲取信息,500c.11循環(huán)的耐潮性IEC-68-2-38 11加速老化700C額定功率2000h通過/不通過5000h任選10耐久性濕熱 850C/85%RH或500C/85%RH 1000h850C/85%RH3500h500C/85%RH11表1.2 帶溫差環(huán)流冷卻器的氣密性無源模塊相關的GR-1221-CORE的摘錄受控環(huán)境試驗條件時限SS 沖擊500G 1ms5次/方向6個方向11振動20g20Hz/2000Hz 4min/循環(huán)3軸,4次循環(huán)/軸11熱沖擊(氣密性封裝DT=1000C(01000C11機

6、械完整性光纖拉伸/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 850C或最高貯存溫度2000h 11貯存-400C或最低貯存溫度2000h 11溫度循環(huán)-400C/700C停機時間15min 100c.通過/不通過為獲取信息,500c.11循環(huán)的耐潮性IEC-68-2-38 11濕熱(氣密性封裝750C/90%RH或850C/85%RH100h通過/不通過為獲得信息,500h11耐久性濕熱(非氣密性封裝750C/90%RH或850C/85%RH500h通過/不通過為獲得信息,2000h11對于客戶來說,試驗完成時獲得的結(jié)果可較

7、容易地在不同的供應商之間進行比較。這是解釋Telcordia文件實際上是容易進入世界市場的“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準。2.但是,標準總是最佳的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商接觸,揭示了若干局限性。第一個困難是不同標準之間少量關鍵的不一致造成的結(jié)果。有一個例子涉及到光纖-器件接口,其強度是用拉伸試驗來評價的。如表2顯示,對于光學無源器件來說,應力在邏輯上取決于光纖保護的種類上:-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,強度應為1kg那么

8、大,對于特種應用來說甚至可達到2kg目的。要達到250m 涂覆抽頭是相當困難的。同樣,在兩個文件中的相同等級(相同時限上不需要進行濕熱試驗,無源器件的要求是100h,激光模塊是1000h。這個最后的試驗即濕熱試驗對于制造商來說是個大問題。一方面,十年前,器件只在幾天濕熱試驗之后就被揭示出漂移。那時候,這個要求已成為推動產(chǎn)品在防潮健壯性方面進行改進的促進因素。另一方面,用于濕熱試驗的條件事實上與很少現(xiàn)場的應用相對應。此外,由于對劣化機理沒有進行全面的研究,這個試驗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)問題導致要求下降的理由:-LTBD10%(2

9、2個無缺陷部件-2000h通過/不通過(問題194年11月 -LTBD20%(11個無缺陷部件-500h通過/不通過(問題399年1月另一個有問題的差別是溫度循環(huán)。視范圍而定,此試驗不針對相同的機理。應注意,高于200C/分鐘的溫度梯度不允許較短的試驗時限,但溫度梯度低于50C/分鐘時,溫度循環(huán)較接近實際環(huán)境條件。對于EDFA來說,要求是在20C/分鐘(GR-1312-CORE條件下循環(huán)100次,此時泵模塊需要200C/分鐘或更高的溫度梯度。在一個實例中,為了評價泵供應商,我們實施了附加的慢溫度循環(huán)試驗,以模擬EDFA鑒定試驗。在100次循環(huán)時,我們觀測到1個失效,用這種試驗揭示的失效比供應商

10、參照泵標準作的試驗揭示的失效要好。2.2 試驗應用的不同方法另一個令人擔心的問題是由于激光器與檢測器芯片鑒定的定義造成的。對于海底應用來說,可靠性機理的研究是主要關心的問題,求出激活參數(shù)和相關模型是鑒定程序的主要目的。建議查閱地面要求和試驗矩陣,例如,Telcordia建議: 35個器件,2個溫度和至少500h。盡管如此,供應商的一般管理還是把可靠性計算建立在標準建議的故障激活能的基礎上。因此,在這種情況下,實際的研究未加以實施,可靠性基礎的了解也未加以實現(xiàn):-磨損機理;-隨機機理;-驅(qū)動電流的影響;-結(jié)溫的影響;-熱阻對芯片和模塊的影響。另外,為了提高可靠性計算中的置信度,我們通常必須實施補

11、充的試驗。這樣會對研制的延遲造成嚴重影響!對于光學無源器件來說,失效機理是不同的,主要是隨機分布。因此,初步的研究能足以測定工藝的弱點和應采取的糾正措施。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,也未進行可靠性研究。例如,在分析特殊供應商的現(xiàn)場失效率時,我們觀測到,缺陷數(shù)在生產(chǎn)幾個月之后就下降。供應商承認已采取了糾正措施,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。如果工藝的所有控制和關鍵點未得到清楚的了解和掌握,工藝誤差和生產(chǎn)過程變量就會產(chǎn)生其它缺陷,以致于鑒定結(jié)果會不同于初始基準值

12、。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。預計標準組織的下一步工作應研究出類似器件的一致性方法,以制訂出一致的文件。制造商使用標準的方法現(xiàn)在和將來都需要在客戶與供應商之間展開討論。2.3 可靠性估計和現(xiàn)場失效率的真實性現(xiàn)有各種因素影響總失效率(:瞬時失效率。由于生產(chǎn)工藝失效可通過適當?shù)暮Y選程序來清除,因此只有磨損和隨機現(xiàn)象才在現(xiàn)場中被碰到。視產(chǎn)品和機理而定,可改變計算方法:-從壽命試驗矩陣中產(chǎn)生的磨損機理的建模使激活因素的評價和可靠性估計成為可能。對于突發(fā)性失效來說,需進行大范圍的壽命試驗(200個以上的器件來論證可靠性模型。-從現(xiàn)場中回收的材料的

13、處理:當隨機機理引起的失效率很低時,該失效率不能用鑒定試驗來評價。這樣,我們就在器件工作壽命試驗期間計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)計算將給出的估計值。-把器件看作系統(tǒng)時,需要總計產(chǎn)品所包括的每個元件的作用。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的:表2 估計方法產(chǎn)品 機理 方法 源數(shù)據(jù)激光器/檢測器芯片 磨損 建模 加速壽命試驗激光器/檢測器芯片 隨機 現(xiàn)場中建模 壽命試驗,現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號或泵模塊 磨損+隨機 現(xiàn)場中建模系統(tǒng)壽命試驗,子公司數(shù)據(jù),現(xiàn)場數(shù)據(jù)光學接口/光學放大器 磨

14、損+隨機 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 非特(UCL=95% WDM模塊 2.0410927泵模塊 2.8710846放大器 2.89108180對于隨機失效率估計來說,現(xiàn)場數(shù)據(jù)的觀測是判斷可靠性的最佳方法。一般可觀測到幾個失效種類,要做到這一點,需要對大量累積器件小時數(shù)進行比較。對于我們的產(chǎn)品來說,已經(jīng)為戶外應用通過常見的接收試驗來進行鑒定,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,我們的信息還有待完善,其中包括:-實際失效器件數(shù);-失效前時限;-工作條件;-工作期間的可能進展;-維修慣例;-工

15、作期間的環(huán)境條件。因此,為了實現(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)改進方法,以避免正規(guī)試驗未揭示的設計誤差。改進產(chǎn)品可靠性有各種不同的方法,但最有效的是設計階段采取的方法,包括:-風險分析方法:該方法用來在設計階段中盡可能早地表征潛在的產(chǎn)品弱點;-加嚴試驗:該試驗用來加速在鑒定程序期間或客戶地點太遲揭示的產(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新產(chǎn)品來說,各種專業(yè)的代表都參與“技術風險分析,這些代表包括設計、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計與工藝任選方案相關的技術風險。這不僅要從研制

16、的觀點而且要盡可能早地結(jié)合工業(yè)制約的影響來做這項工作,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:原材料選擇、產(chǎn)品設計定義、供應商/子承包商的工藝成熟度等。風險一旦被識別,就應將風險優(yōu)先分類,然后對其進行評估。可以對專用試樣或完整的產(chǎn)品實施的早期可靠性試驗是由鑒定工程師來確定的,以便對健壯極限定量和揭示預期的失效機理。這些試驗不需要遵守任何一個常用的鑒定標準,但經(jīng)常提供有用的數(shù)據(jù)來了解產(chǎn)品可靠性基礎。技術投資也得到改進,并開辟了鑒定過程中失效物理方法實施的途徑。這種風險分析方法的一個實例可用我們的10G比

17、特/s 高靈敏度接收器模塊的研制項目來概述。在鑒定過程初始階段中被識別的近40個技術風險中,有設計引起的若干可靠性問題通過表5所述的專項試驗被成功解決。表5 用于 10G 比特/s 接收器模塊的風險分析過程的實例 可靠性風險 在熱機械應力下的粘結(jié)損耗 試驗/設計方法和結(jié)果 通過剪切試驗來為若干子支 座泵實施機械粘結(jié)表征為 最佳芯片粘結(jié)和倒裝片工藝 控制而實現(xiàn)子支座泵金屬成 分的最佳化 等離子暴露的 PIN 的表征與 老化證明是安全的工藝 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)被選環(huán)氧 樹脂粘結(jié)劑沒有嚴重釋氣 剪切試驗/熱循環(huán)/剪切試驗 序列， 接著做橫截面分析實

18、 行回流循環(huán)的最佳化， 以獲得 高剪切試驗閾值 對基準模塊實施剪切試驗， 然 后實施 子元件 安裝在其子支座的 PIN 倒裝 片 光電檢測器子支座和子支座 保持器的等離子清潔 光電子支座的機械組件 PIN 特性劣化 環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的釋氣 電氣支座的機械組件 金屬間擴散 Au/SnPb對長 期機械健壯性的影響 450 角 YAG 鏡頭（透鏡保持 器/模塊封裝） 長期偶合漂移或突發(fā)性機械 失效 當模塊被提交給 TelcordiaGR-468-CORE 鑒定程序時，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)品達到了較高質(zhì)量等級。 4積木構(gòu)件策略和技術平臺 如前所述，內(nèi)建可靠性方法是指定用來確認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。應用到我們的產(chǎn)品文件夾中時，積木構(gòu)件策略