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光电子器件的新鉴定方法1．引言光通信的发展已大大增加了诸如发生器、接收器和光学放大器之类的光电子器件的用量。这些器件在该领域中的用量的增长是供应商掌握在工业规模内制造的能力和论证器件可用于复杂海底或陆地通信系统的可靠性水平的能力的结果。就微电子学而论，光电子器件的可靠性取决于产品的设计与制造工艺。但是，由于鉴定光电子器件的可靠性是最近的工作，与微电子器件相比，其背景还比较薄弱。光电子器件包括光学、电子、热与机械部件，它们会产生影响可靠性评估的特殊问题。失效机理的典型光学特征是通过阈值或驱动电流的漂移、DWDM应用的波长和耦合参数来监控的。电子元件的失效与元件本身的健壮性有关，但与组装技术的关系更大，例如，虚焊和分层。热劣化主要受到帕尔帖（Peltier）冷却元件的机械健壮性的驱动。最后，必须考虑机械方面，以防止诸如谐振和腐蚀之类的特殊问题的发生。研究这样的现象需要大量专用设备和各类对信息交换很熟练的人员，以便把横向连接的失效机理考虑进去。有时候，如气候试验箱那样的电子元件用标准鉴定设备适用于光电子器件。但对于如老练那样的特定试验来说，常在厂内研制的专用设备也是需要的。对于测量工具来说，情况会更加严峻，因为几乎没有商用设备适用于激光芯片、模块和光纤放大器的全面表征。诸如DWDM应用的频谱稳定性之类的参数监控需要合适的计量方法，同时用统计过程控制图来保证高再生性/重复性测量（±5pm波长精度是需要的，±2pm是必须达到的数值）。直到今天，鉴定方法和客户需求还是完全受到可靠性要求的驱动。正如下面章节所讨论的那样，这种方法给出了令人满意的但还存在问题的结果。鉴定惯例必须遵循其发展规律，以满足客户的要求，同时要保持元件制造商的创新能力和竞争力。2．可靠性标准：很有帮助对于制造商和客户来说，可靠性标准（IEC）或建议（Telcordia）提供了很大的帮助：首先，对于制造商来说，它们是导则，这些导则描述所有试验方法、时限、通过/不通过判据，并参考试验方法，然后使之变得适用。此外，这些导则还清楚地描述了质量规则和可靠性管理。许多不同的要点都被包括在内：功能度与测量方法、输入检验与生产控制、毒性、安全性、腐蚀与可燃性。试验栅格（testgrid）一般是以试验为基础的，这些试验的目的是通过施加热或机械应力来给出标准的健壮水平。下面表格给出了标准接收试验的两个实例，这些实例与激光模块和光学无源器件的可靠性试验有关。表1.1带温差环流冷却器的气密性有源模块相关的GR-468-CORE的摘录—受控环境试验条件时限SS机械完整性冲击500G1ms5次/方向6个方向11振动20g20Hz/2000Hz4min/循环3轴，4次循环/轴11热冲击（气密性封装）DT=1000C(0~1000C)11光纤拉伸1kg3次，5s11耐久性贮存850C或最高贮存温度2000h11-400C或最低贮存温度2000h11温度循环-400C/700C停机时间＞15min100c.通过/不通过为了获取信息，500c.11循环的耐潮性IEC-68-2-3811加速老化700C额定功率2000h通过/不通过5000h任选10湿热850C/85%RH或500C/85%RH1000h@850C/85%RH3500h@500C/85%RH11表1.2带温差环流冷却器的气密性无源模块相关的GR-1221-CORE的摘录—受控环境试验条件时限SS机械完整性冲击500G1ms5次/方向6个方向11振动20g20Hz/2000Hz4min/循环3轴，4次循环/轴11热冲击（气密性封装）DT=1000C(0~1000C)11光纤拉伸/电缆保存（来自GR-1209-CORE）涂覆光纤0.45kg紧包套光纤0.45kg松包套光纤1kg3次，5s11耐久性贮存850C或最高贮存温度2000h11-400C或最低贮存温度2000h11温度循环-400C/700C停机时间＞15min100c.通过/不通过为获取信息，500c.11循环的耐潮性IEC-68-2-3811湿热（气密性封装）750C/90%RH或850C/85%RH100h通过/不通过为获得信息，500h11湿热（非气密性封装）750C/90%RH或850C/85%RH500h通过/不通过为获得信息，2000h11对于客户来说，试验完成时获得的结果可较容易地在不同的供应商之间进行比较。这是解释Telcordia文件实际上是容易进入世界市场的“魔钥匙”的原因之一，即使它们代表美国的建议而不是国际标准。2．……但是，标准总是最佳的2．1一些非一致性用厂内的鉴定程序惯例和通过与有源和无源器件供应商接触，揭示了若干局限性。第一个困难是不同标准之间少量关键的不一致造成的结果。有一个例子涉及到光纤-器件接口，其强度是用拉伸试验来评价的。如表2显示，对于光学无源器件来说，应力在逻辑上取决于光纤保护的种类上：---涂覆和紧包套光纤0.45kg；---松包套光纤和电缆1kg。但是，要求对于光学有源产品来说是不同的，在该产品中，采用任选种类的光纤保护，强度应为1kg那么大，对于特种应用来说甚至可达到2kg目的。要达到250μm涂覆抽头是相当困难的。同样，在两个文件中的相同等级（相同时限）上不需要进行湿热试验，无源器件的要求是100h，激光模块是1000h。这个最后的试验即湿热试验对于制造商来说是个大问题。一方面，十年前，器件只在几天湿热试验之后就被揭示出漂移。那时候，这个要求已成为推动产品在防潮健壮性方面进行改进的促进因素。另一方面，用于湿热试验的条件事实上与很少现场的应用相对应。此外，由于对劣化机理没有进行全面的研究，这个试验不能给出精确的工作容限。这可能是由于Telcordia的GR-1221-CORE连续出现问题导致要求下降的理由：---LTBD10%（22个无缺陷部件）--2000h通过/不通过（问题1—94年11月）---LTBD20%（11个无缺陷部件）--500h通过/不通过（问题3—99年1月）另一个有问题的差别是温度循环。视范围而定，此试验不针对相同的机理。应注意，高于200C/分钟的温度梯度不允许较短的试验时限，但温度梯度低于50C/分钟时，温度循环较接近实际环境条件。对于EDFA来说，要求是在20C/分钟（GR-1312-CORE）条件下循环100次，此时泵模块需要200C/分钟或更高的温度梯度。在一个实例中，为了评价泵供应商，我们实施了附加的慢温度循环试验，以模拟EDFA鉴定试验。在100次循环时，我们观测到1个失效，用这种试验揭示的失效比供应商参照泵标准作的试验揭示的失效要好。2．2试验应用的不同方法另一个令人担心的问题是由于激光器与检测器芯片鉴定的定义造成的。对于海底应用来说，可靠性机理的研究是主要关心的问题，求出激活参数和相关模型是鉴定程序的主要目的。建议查阅地面要求和试验矩阵，例如，Telcordia建议：35个器件，2个温度和至少500h。尽管如此，供应商的一般管理还是把可靠性计算建立在标准建议的故障激活能的基础上。因此，在这种情况下，实际的研究未加以实施，可靠性基础的了解也未加以实现：--磨损机理；--随机机理；--驱动电流的影响；--结温的影响；--热阻对芯片和模块的影响。另外，为了提高可靠性计算中的置信度，我们通常必须实施补充的试验。这样会对研制的延迟造成严重影响！对于光学无源器件来说，失效机理是不同的，主要是随机分布。因此，初步的研究能足以测定工艺的弱点和应采取的纠正措施。尽管如此，除了早期制造阶段的Telcordia要求之外，在多数情况下，也未进行可靠性研究。例如，在分析特殊供应商的现场失效率时，我们观测到，缺陷数在生产几个月之后就下降。供应商承认已采取了纠正措施，以解决现场中碰到的问题。最近几年来，光纤技术的使用已转向通信市场。这就使光电子器件厂商快速增加其职工，并将其工艺转移到新地点。如果工艺的所有控制和关键点未得到清楚的了解和掌握，工艺误差和生产过程变量就会产生其它缺陷，以致于鉴定结果会不同于初始基准值。我们至少有一次经历过这种情况，对于制造商来说，问题出自非气密封装中粘结剂的不一致控制。预计标准组织的下一步工作应研究出类似器件的一致性方法，以制订出一致的文件。制造商使用标准的方法现在和将来都需要在客户与供应商之间展开讨论。2．3可靠性估计和现场失效率的真实性现有各种因素影响总失效率（λ：瞬时失效率）。由于生产工艺失效可通过适当的筛选程序来清除，因此只有磨损和随机现象才在现场中被碰到。视产品和机理而定，可改变计算方法：--从寿命试验矩阵中产生的磨损机理的建模使激活因素的评价和可靠性估计成为可能。对于突发性失效来说，需进行大范围的寿命试验（200个以上的器件）来论证可靠性模型。--从现场中回收的材料的处理：当随机机理引起的失效率很低时，该失效率不能用鉴定试验来评价。这样，我们就在器件工作寿命试验期间计算和分析失效的器件。对于现场配置的器件来说，失效数计算将给出λ的估计值。--把器件看作系统时，需要总计产品所包括的每个元件的作用。这些作用是从先前所述的方法或从已经建立和为电子器件管理的数据库中推论出来的。如表3所概述的那样，产品的可靠性是用表2所述的不同方法来评价的：表2λ估计方法产品机理方法源数据激光器/检测器芯片磨损建模加速寿命试验激光器/检测器芯片随机现场中建模寿命试验，现场数据信号或泵模块磨损+随机现场中建模系统寿命试验，子公司数据，现场数据光学接口/光学放大器磨损+随机现场中系统子公司数据，现场数据表3产品的典型可靠性产品器件小时非特（UCL=95%）WDM模块2.04×10927泵模块2.87×10846放大器2.89×108180对于随机失效率估计来说，现场数据的观测是判断可靠性的最佳方法。一般可观测到几个失效种类，要做到这一点，需要对大量累积器件小时数进行比较。对于我们的产品来说，已经为户外应用通过常见的接收试验来进行鉴定，现场获得的结果是非常令人满意的。但是，我们还知道，涉及从现场回收的材料的管理的置信度有问题。为了真实，我们的信息还有待完善，其中包括：--实际失效器件数；--失效前时限；--工作条件；--工作期间的可能进展；--维修惯例；--工作期间的环境条件。因此，为了实现最佳的可靠性惯例，满足于这些数值并不重要，但要持续改进方法，以避免正规试验未揭示的设计误差。改进产品可靠性有各种不同的方法，但最有效的是设计阶段采取的方法，包括：--风险分析方法：该方法用来在设计阶段中尽可能早地表征潜在的产品弱点；--加严试验：该试验用来加速在鉴定程序期间或客户地点太迟揭示的产品缺陷。3．内建可靠性方法对于我们工作小组研制的每个新产品来说，各种专业的代表都参与“技术风险分析，这些代表包括设计、鉴定和制造工程师，失效分析专家，以及采购与质量工程师。基于客户要求的FMEA过程，本阶段使工作小组能识别与所有设计与工艺任选方案相关的技术风险。这不仅要从研制的观点而且要尽可能早地结合工业制约的影响来做这项工作，以保证产品交付成功（成品率与成本）和保证产品在寿命周期中保持一致的质量。应特别注意编制可能的可靠性影响的目录，凡是这些根本原因都要列入：原材料选择、产品设计定义、供应商/子承包商的工艺成熟度等。风险一旦被识别，就应将风险优先分类，然后对其进行评估。可以对专用试样或完整的产品实施的早期可靠性试验是由鉴定工程师来确定的，以便对健壮极限定量和揭示预期的失效机理。这些试验不需要遵守任何一个常用的鉴定标准，但经常提供有用的数据来了解产品可靠性基础。技术投资也得到改进，并开辟了鉴定过程中失效物理方法实施的途径。这种风险分析方法的一个实例可用我们的10G比特/s高灵敏度接收器模块的研制项目来概述。在鉴定过程初始阶段中被识别的近40个技术风险中，有设计引起的若干可靠性问题通过表5所述的专项试验被成功解决。表5用于10G比特/s接收器模块的风险分析过程的实例子元件可靠性风险试验/设计方法和结果安装在其子支座的PIN倒装片在热机械应力下的粘结损耗通过剪切试验来为若干子支座泵实施机械粘结表征→为最佳芯片粘结和倒装片工艺控