半導(dǎo)體激光器(15501310)高低溫循環(huán)壽命研究

1、 半導(dǎo)體激光器（1550/1310）高低溫循環(huán)壽命研究蘇美開(kāi)（濟(jì)南福來(lái)斯光電技術(shù)室，flsoe）摘要：研究了通信用的1310nm半導(dǎo)體激光二極管（LD）組件的使用壽命。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，模擬不同環(huán)境條件下，對(duì)其進(jìn)行了高低溫循環(huán)壽命的實(shí)驗(yàn)研究，建立了循環(huán)壽命的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：循環(huán)壽命與循環(huán)的溫差、循環(huán)的速度成指數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)試器件在高溫差、高循環(huán)速度條件下的循環(huán)壽命，外推器件正常工作條件下的循環(huán)壽命。從而得到器件可靠性數(shù)據(jù)，為工藝設(shè)計(jì)人員提出量化數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器組件，高低溫循環(huán)壽命，壽命數(shù)學(xué)模型ResearchonHigh-lowTemperatureCycleLifetimeof1310

2、nmLDsModulesAbstract:AmathematicalmodelofthecyclelifetimeofLaserDiode（LD）hasbeenestablished.Studiedonhigh-lowtemperaturecyclelifetimeof1310nmLDmodulesbyexperimentunderdifferentsimulationenvironmentalconditions.Theresultshowsthatcyclelifetimehasindexrelationtothetemperaturedifferenceofcycleandcyclesp

3、eed.BytestingthecyclelifetimeofLDsunderthehightemperaturedifferenceandhighcyclerateconditions,thecyclelifetimeofLDsundertheordinaryworkingconditionscanbeestimated.Keywords:SemiconductorLaserModule,High-lowTemperatureCycleLifetime,MathematicalModelofLifetime引言1310nm是光纖通信常用的工作波長(zhǎng)，單模光纖在該處的能量損耗只有0.40dB。因

4、此1310nmLD組件成為光通信的核心器件。然而光纖鏈路必須經(jīng)受苛刻的環(huán)境條件，根據(jù)國(guó)際通信行業(yè)BELLCORE標(biāo)準(zhǔn)，用在非控環(huán)境（UNC）的器件需要做高溫加速壽命測(cè)試和-40C85C的高低溫循環(huán)壽命測(cè)試，對(duì)于高溫加速壽命試驗(yàn)的方法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵延性S多文獻(xiàn)描述2-5，并得到了器件的高溫篩選方法和壽命模型。對(duì)高低溫循環(huán)的詳實(shí)實(shí)驗(yàn)方法及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥s未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。由于材料熱膨脹系數(shù)的不同，高低溫循環(huán)主要作用對(duì)接合點(diǎn)、粘接料、界面和透鏡固定等的考驗(yàn)。為了預(yù)測(cè)1310nmLD組件的工作可靠性，考察其高低溫循環(huán)壽命，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了40只器件隨循環(huán)次數(shù)輸出功率的變化情況，據(jù)此給出了高低溫循環(huán)篩選試驗(yàn)的最佳循環(huán)次數(shù)。

5、得到了高低溫循環(huán)的壽命模型。利用該模型可以計(jì)算出不同熱應(yīng)力下、不同循環(huán)次數(shù)和不同循環(huán)速度對(duì)器件的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試2.1樣品準(zhǔn)備如圖1,選用同一批次、剛剛生產(chǎn)的、未經(jīng)高低溫篩選的、封裝形式為TO5.6的1310nmLD組件40只，器件采用內(nèi)密封金屬封裝，且有聚焦球透鏡。如圖1所示。LD有源區(qū)向上被易熔焊料Au/Sn焊在硅熱沉上，熱沉用軟焊料Pb/Sn焊在被鍍金的圓形銅座上,球透鏡被固定在LD的前鏡面（約100um）。測(cè)試前在室溫25C下測(cè)量其恒功率輸出（P=5mW）時(shí)閾值電流Ith、工作電流I、外量子效率H。thop2.2實(shí)驗(yàn)步驟為了考察不同溫度范圍、不同循環(huán)速度對(duì)器件壽命的影響，將40只器件分成

6、四組固定在四個(gè)相同型號(hào)的高低溫循環(huán)箱，循環(huán)箱溫度設(shè)定精度為lc。循環(huán)時(shí)器件不加電，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最后和中間按照計(jì)劃進(jìn)度測(cè)試幾個(gè)點(diǎn)，如表1所示。應(yīng)該注意的是，中間測(cè)試過(guò)程中，器件的溫度應(yīng)先降至（或升至）室溫25c再測(cè)試，且中間停留時(shí)間盡可能短。表1.溫度測(cè)試循環(huán)實(shí)驗(yàn)次序樣品第一組第二組第三組第四組溫度范圍-20/+60C-20/+60C-40/+85C-40/+85C循環(huán)速度（平均）10C/min2C/min10C/min2C/min器件數(shù)量10101010測(cè)試間隔（100次）0.5；1；2；3；0.5；1；2；3；4；0.5；1；2；0.5；1；2；3；2.3測(cè)試結(jié)果圖3各種情況下失效率與循環(huán)次數(shù)

7、的關(guān)系圖2a.第一組器件按照設(shè)定條件熱循時(shí)外效率的退化圖2b.第三組器件按照設(shè)定條件熱循時(shí)外效率的退化因?yàn)長(zhǎng)D組件是安裝在復(fù)雜的通信系統(tǒng)中，因此能容忍電光參數(shù)漂移比通常要求苛刻，因此一旦其電光參數(shù)原始值退化10%（-0.5dB）,就認(rèn)為是失效。在所監(jiān)控的參數(shù)中外量子效率n（輸出功率斜效率）受熱循環(huán)影響最大。n有下面方程定義：n=p/（i-ith），其中ith是閾值電流，iopththop是驅(qū)動(dòng)電流，P是監(jiān)控二極管有恒定參考電流（如200uA）時(shí)對(duì)應(yīng)輸出的輻射功率。圖2a、圖2b分別描出了第一組器件和第三組器件外量子效率n變化曲線，這里以ioiog10（n/n0）將n的相對(duì)變化以dB表示。圖2可

8、以看出，第一組器件經(jīng)過(guò)200-300個(gè)循環(huán)后，有四只器件明顯退化，第三組器件經(jīng)過(guò)100-150個(gè)循環(huán)后，有三只器件明顯退化。它們的外效率都是單調(diào)遞減的。2.4壽命模型假設(shè)失效標(biāo)準(zhǔn)An=10%，記錄下循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的失效器件數(shù)目。累計(jì)失效分布如圖3所示，滿足威布爾分布。下面我們對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，從而建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型。先看看四種情況的中值壽命如表2所示。測(cè)試條件中值壽命相對(duì)加速系數(shù)-20/+60C,10C/min500cycs3-20/+60C,2C/min1500cycs1-40/+85C,10C/min350cycs4-40/+85C,2C/min1100cycs1.3表2四種情況的中值壽命從表可

9、以看出，外界環(huán)境影響器件壽命的因素有兩個(gè)：一是循環(huán)溫差T,另一個(gè)是循環(huán)速度O，溫差越大，循環(huán)壽命越小，反之亦然。同樣，循環(huán)速度越快,循環(huán)壽命越小,反之亦然。下面定量討論它們的關(guān)系。設(shè)循環(huán)次數(shù)為N,失效率為F,則根據(jù)圖3有：TOC o 1-5 h zF二kln(N)+b(1)其中k是與循環(huán)速度有關(guān)的常數(shù)，b與循環(huán)溫差T有關(guān)的常數(shù)。由(1)得N=exp(F/k)exp(-b/k)(2)7E設(shè)b=T，k=ko(其中E、k為比例常數(shù))，則(2)式可以寫(xiě)為：FEN=exp()exp(-)(3)kacAT其中E=E/k為常數(shù)。式是器件循環(huán)次數(shù)與失效率關(guān)系的近似表達(dá)式子。例如，確定F值(如50%)便可求得中

10、值壽命對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。當(dāng)循環(huán)速度O確定時(shí)，由(3)式可以求得循環(huán)次數(shù)與溫差的關(guān)系EEN=Cexp(-t)=Cexp(-t)TATT-T21F其中Et=E/o,C=exp()。式從形式上與Arrhenius模型是一致的。Tkc當(dāng)循環(huán)溫差T確定時(shí)，改變循環(huán)速度，由(3)式可以求得循環(huán)次數(shù)與循環(huán)速度的關(guān)系E(5)=exp(Q)c其中，EcEAT圖4是六種熱循環(huán)情況(增加一個(gè)60C溫差實(shí)驗(yàn))中值壽命(達(dá)到50%失效)隨循環(huán)溫差幅度變化的半對(duì)數(shù)曲線。方點(diǎn)和圓點(diǎn)分別代表兩種循環(huán)速度：O=2C/min和O=10C/min。實(shí)驗(yàn)值半對(duì)數(shù)曲線成線性分布，與理論模型符合較好。從圖4可以求出在正常環(huán)境條件下，例如T

11、=20K，循環(huán)速度為O=2C/min,外效率標(biāo)準(zhǔn)降低0.5dB時(shí)，器件中位壽命約為3000個(gè)循環(huán)；而當(dāng)T=20K,O=10C/min時(shí)，器件中位壽命約為1000個(gè)循環(huán)。備壽環(huán)循值中10000100,循環(huán)速度F2C/minkJyr循環(huán)速F度10c/min1000020406080100120140160循環(huán)溫差A(yù)T(C)圖4.不同溫差下，器件達(dá)到50%失效中值壽命半對(duì)數(shù)曲線結(jié)論模擬了不用環(huán)境條件下對(duì)1310nmLD組件進(jìn)行了高低溫循環(huán)壽命的實(shí)驗(yàn)研究，得到了循環(huán)壽命的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明：1310nm半導(dǎo)體激光器的壽命不僅與使用的環(huán)境溫度有關(guān)，而且與使用環(huán)境的溫差變化幅度、變化速度有關(guān)。循環(huán)壽命與循

12、環(huán)的溫差、循環(huán)的速度成指數(shù)關(guān)系。利用這個(gè)結(jié)論，通過(guò)測(cè)試器件在高溫差、高循環(huán)速度條件下的壽命，外推器件正常條件下的循環(huán)壽命，從而得到器件可靠性數(shù)據(jù)，為工藝設(shè)計(jì)人員提出量化數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)Bellcoreissue1-1998，GenericRequirmentsGR-468-CORES亢俊健，蘇美開(kāi)，王大成，LD老化篩選及壽命測(cè)試系統(tǒng)J，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003,11(4)：250Paine,B.M.ThomasIII,S.Delaney,M.J.Low-Temperature,High-currentLifetestsonInP-BasedHBTSA.39thAnnualInternation

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