高溫加速壽命試驗(yàn)在激光器管芯可靠性分析中的應(yīng)用

楊綢綢　戴智麗　王連進(jìn)

摘 要：該文研究了高溫加速壽命試驗(yàn)在激光器管芯可靠性分析中的應(yīng)用，給出了加速老化試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、基本概念和流程，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了高溫加速壽命試驗(yàn)對(duì)激光器管芯的可靠性影響以及對(duì)激光器管芯壽命的預(yù)測(cè)，為在實(shí)際應(yīng)用中使用高溫加速壽命試驗(yàn)節(jié)省時(shí)間，為提高管芯可靠性提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：激光器管芯 高溫加速壽命試驗(yàn) 可靠性 壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（a）-0077-01

1 可靠性分析基本理論

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制造水平的不斷提高，各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備和產(chǎn)品不斷朝著高性能和高可靠性方向發(fā)展，人們不僅要求產(chǎn)品物美價(jià)廉，而且十分重視產(chǎn)品的可靠性和安全性。產(chǎn)品的可靠性越高，壽命越長(zhǎng)，在相對(duì)短期內(nèi)幾乎不可能失效，因此很難獲得失效數(shù)據(jù)。這些情況的出現(xiàn)給可靠性分析帶來(lái)了一些問(wèn)題，由于無(wú)法得到足夠的失效數(shù)據(jù)，這使得基于失效數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)可靠性分析方法很難使用或分析結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用偏差較大。

產(chǎn)品的高溫加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括很多的可靠性信息，通過(guò)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行可靠性分析可以在很大程度上節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。也可以解決可靠性高、壽命比較長(zhǎng)的產(chǎn)品可靠性評(píng)估問(wèn)題。本文以激光器管芯高溫加速壽命為例，對(duì)高溫加速壽命試驗(yàn)的一般概念和激光器管芯的可靠性進(jìn)行了探討，并對(duì)激光器管芯的可靠性進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。

2 可靠性指標(biāo)

產(chǎn)品的可靠性有好幾種標(biāo)準(zhǔn)衡量，有定量的，也有定性，有時(shí)要用好幾種指標(biāo)去衡量一種產(chǎn)品的可靠性，但最主要的指標(biāo)有：可靠度、失效率、平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）等。對(duì)電子產(chǎn)品而言，產(chǎn)品失效一般符合浴盆曲線分布，即產(chǎn)品失效分為早期失效階段、中期穩(wěn)定失效階段和后期失效階段。早期失效，由于少數(shù)產(chǎn)品在制作后存在運(yùn)輸、調(diào)試等問(wèn)題，產(chǎn)品有比較明顯的缺陷，在投入使用的最初期，這缺陷很快就暴露出來(lái)了，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，這些明顯的缺陷越來(lái)越少，也就形成了失效率迅速下降的現(xiàn)象；中期穩(wěn)定階段，產(chǎn)品的失效穩(wěn)定在一個(gè)比較低的水平，當(dāng)少數(shù)產(chǎn)品的明顯缺陷暴露出來(lái)后，剩下的就是正常產(chǎn)品，這部分產(chǎn)品可以穩(wěn)定、持久的工作，所以失效率穩(wěn)定在一個(gè)較低水平；后期失效階段，這段時(shí)間，產(chǎn)品的失效率迅速上升，后期產(chǎn)品經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作、磨損和老化，慢慢接近壽命終點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加，到達(dá)壽命終點(diǎn)的產(chǎn)品越來(lái)越多，失效率也就隨之上升。

3 激光器管芯的特性

激光器管芯的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來(lái)，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高半導(dǎo)體激光器的內(nèi)、外部量子效率。

管芯頂部包封的環(huán)氧樹(shù)脂有這樣幾種作用：保護(hù)管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過(guò)多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹(shù)脂作過(guò)渡，提高管芯的光出射效率。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對(duì)光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。

4 高溫加速壽命試驗(yàn)的理論依據(jù)和試驗(yàn)方案

4.1 高溫加速壽命試驗(yàn)的理論依據(jù)

半導(dǎo)體器件等電子元器件在使用或儲(chǔ)存過(guò)程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學(xué)變化。當(dāng)這一物理化學(xué)變化過(guò)程發(fā)展到一定階段時(shí)，器件的外觀個(gè)性和功能就逐步變化，最終導(dǎo)致特性的退化和功能的完全喪失，即失效。器件的失效大多是由于器件表面狀態(tài)的變化和體內(nèi)、金屬化系統(tǒng)等的物理化學(xué)變化造成的。例如，由于PN結(jié)附近有雜質(zhì)離子或其他沾污形成導(dǎo)電溝道，使器件反向漏電流變大、擊穿電壓下降；由于濕氣或其他有害氣體侵入管殼內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕等，這些變化實(shí)質(zhì)上都是物理化學(xué)變化過(guò)程。它們的變化過(guò)程跟溫度有密切關(guān)系。當(dāng)溫度升高以后，這些物理變化過(guò)程大大加快，器件的失效過(guò)程被加速，這就是加速老化試驗(yàn)的理論依據(jù)。

高溫加速壽命試驗(yàn)就是用加大應(yīng)力的方法促使樣品在短時(shí)期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)激光器管芯在正常儲(chǔ)存條件或工作條件下的可靠性，這樣就可以在較短時(shí)間內(nèi)通過(guò)少量樣品的高應(yīng)力試驗(yàn)，推算出產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的可靠性水平，以供用戶(hù)設(shè)計(jì)時(shí)參考，或作為工藝對(duì)比及合理制定篩選條件和例行試驗(yàn)規(guī)范的依據(jù)。同時(shí)，結(jié)合失效分析，還可以隨時(shí)了解造成產(chǎn)品不可靠的主要因素，并迅速反饋到有關(guān)設(shè)計(jì)或制造部門(mén)加以改進(jìn)及糾正。因此，高溫加速壽命試驗(yàn)不僅節(jié)省了人力、物力和時(shí)間，并且結(jié)合失效分析技術(shù)已發(fā)展成為控制、提高激光器管芯可靠性的一種行之有效的好辦法。高溫加速壽命試驗(yàn)所加的應(yīng)力有溫度、功率、電壓、電流等應(yīng)力，本文主要研究對(duì)激光器管芯在溫度和電流條件下的高溫加速壽命試驗(yàn)以及對(duì)激光器管芯可靠性的探討。

4.2 激光器管芯的高溫加速壽命試驗(yàn)

激光器管芯的高溫加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，依據(jù)產(chǎn)品的壽命周期曲線，有些產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)失效。在驅(qū)動(dòng)電流相同時(shí)，溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，器件的光功率下降越快，閾值電流上升越快，失效的樣品數(shù)量越多，因此通過(guò)加大應(yīng)力的方法促使樣品在短時(shí)期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)激光器管芯在正常儲(chǔ)存條件或工作條件下的可靠性。通常在高溫加速壽命試驗(yàn)中很少有器件在試驗(yàn)過(guò)程中短時(shí)間會(huì)實(shí)際超過(guò)壽命終止閾值。

5 激光器管芯的可靠性分析

通過(guò)對(duì)激光器管芯進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)來(lái)看，環(huán)境應(yīng)力對(duì)管芯性能參數(shù)影響較大，通常在試驗(yàn)過(guò)程中選定的參數(shù)要定期檢測(cè)直到退化超過(guò)壽命終止閾值即失效判據(jù)或規(guī)定的小時(shí)數(shù)已經(jīng)達(dá)到。通常在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)沒(méi)有失效的器件所反映出來(lái)的任何性能參數(shù)退化都可以用來(lái)作為壽命終止終止閾值試驗(yàn)的估計(jì)。這些估計(jì)的時(shí)間可以用于管芯可靠性的各種相關(guān)計(jì)算。從而對(duì)激光器管芯的可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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