基于加速壽命試驗(yàn)的SLD可靠性預(yù)計模型研究

楊 云，任 艷，于 迪，周軍連，戴澤林

?

基于加速壽命試驗(yàn)的SLD可靠性預(yù)計模型研究

楊 云，任 艷，于 迪，周軍連，戴澤林

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

超輻射發(fā)光二極管（SLD）已廣泛應(yīng)用于航空、航天等多個領(lǐng)域，但其預(yù)計模型的缺失使得SLD的可靠性分析工作缺乏有效指導(dǎo)。本文基于SLD主要失效模式、失效機(jī)理以及典型誘發(fā)應(yīng)力，構(gòu)建SLD可靠性預(yù)計模型，開展加速壽命試驗(yàn)，利用性能退化可靠性評估技術(shù)、圖估計、最優(yōu)線性無偏估計等方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定管芯預(yù)計模型參數(shù)，應(yīng)用國內(nèi)外已有耦合、熱阻及制冷器可靠性預(yù)計技術(shù)，確定管芯耦合及組件預(yù)計模型系數(shù)的表征，從而完成SLD可靠性預(yù)計模型的建立，為SLD工程應(yīng)用過程中的可靠性分析工作提供技術(shù)參考。

光學(xué)器件；超輻射發(fā)光二極管；可靠性；預(yù)計模型；加速壽命試驗(yàn)；性能退化

超輻射發(fā)光二極管（SLD）是一種自發(fā)輻射的單程光放大器件，集發(fā)光二極管（LED）和激光器（LD）二者優(yōu)點(diǎn)于一體，具有輸出功率高、光譜寬度寬、穩(wěn)定性好、光束方向性好以及相干長度短等優(yōu)勢，作為一種重要的光源，廣泛應(yīng)用于光纖陀螺儀、光信息處理、光相干測試技術(shù)等領(lǐng)域，尤其是在光纖陀螺儀上SLD的應(yīng)用最為廣泛[1-4]。SLD作為一種新型、關(guān)鍵電子元器件，其可靠性在很大程度上影響了裝備的可靠性水平，對其可靠指標(biāo)、使用壽命的獲知需求日益迫切。

Kashima等[5]基于其他光電器件失效模型，對SLD可靠性進(jìn)行了研究，提出了退化性能與工作時間的關(guān)系模型。韋文生等[6]對SLD的失效機(jī)理進(jìn)行研究，分析導(dǎo)致SLD失效的敏感應(yīng)力，得到SLD輸出光功率與結(jié)溫間的關(guān)系。孫孟相等[7]自主研發(fā)了SLD壽命測試方法，對SLD的退化機(jī)理進(jìn)行分析，提出了SLD的加速壽命測試的數(shù)學(xué)模型，并基于壽命分析數(shù)學(xué)模型外推出正常工作條件下的器件壽命。

雖然國內(nèi)外針對SLD可靠性評價已開展了大量工作，但現(xiàn)有研究工作都未建立明確的SLD可靠性預(yù)計模型，無法快速、準(zhǔn)確評價其真實(shí)可靠性水平。因此，本文將在分析研究SLD的主要失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用壽命加速試驗(yàn)、建立退化壽命模型等方法，建立SLD可靠性預(yù)計模型，用以支撐SLD工程應(yīng)用過程中可靠性評價工作的開展。

1 主要失效模式及失效機(jī)理

SLD失效按失效部位可分為管芯失效、耦合失效及組件失效三大類，SLD的主要失效模式及失效機(jī)理如表1所示[8-13]。

表1 SLD失效模式及機(jī)理

管芯有源區(qū)退化。管芯退化的直接原因是有源區(qū)內(nèi)存在晶格缺陷以及這些晶格缺陷在持續(xù)工作過程中的逐漸擴(kuò)大。退化過程中，開始有源區(qū)內(nèi)存在某些暗點(diǎn)（即不發(fā)光的非均勻小區(qū)），最后成為一片暗區(qū)。伴隨著缺陷的形成、生長和遷移以及p-n結(jié)的退化，注入效率將會降低，同時光化學(xué)反應(yīng)會引起表面腐蝕、表面漏電和接觸層退化，進(jìn)而導(dǎo)致接觸處金屬的內(nèi)擴(kuò)散，在結(jié)晶及接觸處污染或生長出須狀物構(gòu)成漏電通道等，這些綜合因素最終會引起SLD管芯的退化，管芯有源區(qū)內(nèi)缺陷的生成速度是決定SLD可靠性的重要因素。

耦合失效。耦合失效部位是管芯與尾纖的耦合處，SLD模塊中尾纖與管芯間的耦合為亞微米量級的對準(zhǔn)，耦合偏移將導(dǎo)致光源光功率逐漸減小直至失效，主要是由于焊料的退化引起的。對SLD來說，所用焊料主要有純錫、金錫易熔合金以及金鍺易熔合金等，應(yīng)力較小，但老化期間易變質(zhì)，焊料變質(zhì)的原因是原子之間擴(kuò)散并形成金屬間化合物，這些化合物呈峰窩狀的空隙結(jié)構(gòu)，有相當(dāng)高的熱阻，進(jìn)而造成器件應(yīng)力增加、熱阻增加，從而形成一個退化源，導(dǎo)致器件迅速退化。另外焊接引入的應(yīng)力、管芯、焊料、熱沉之間熱膨脹系數(shù)匹配程度不佳等也會使器件快速退化。

組件失效。使用過程中內(nèi)部組件包括熱敏電阻和制冷器的失效也會導(dǎo)致SLD迅速老化，如熱敏電阻主要是溫循導(dǎo)致的阻值漂移、材料老化，電遷移導(dǎo)致電極有效面積減少，熱-機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部裂紋的蔓延與擴(kuò)展等。

2 可靠性預(yù)計模型建立

結(jié)合上文分析，SLD失效的主要部位在于管芯、管芯耦合以及內(nèi)部組件（制冷器與熱敏電阻），基本沒有因封裝產(chǎn)生失效，所以模型的建立也集中在管芯、管芯耦合和組件三個方面，假定管芯失效、耦合失效和組件失效之間相互獨(dú)立，SLD的可靠性預(yù)計模型可表征如下：

a）管芯失效率：

式中：b1為管芯基本失效率；T1為管芯溫度系數(shù)。

b）耦合失效率:

式中：b2為光纖焊點(diǎn)耦合失效率。

c）制冷器失效率：

式中：b3為制冷器基本失效率。

d）熱敏電阻失效率：

式中：b4為熱敏電阻基本失效率；T4為熱敏電阻溫度系數(shù)。

3 管芯可靠性評估

作為SLD的關(guān)鍵部位，管芯的壽命是影響SLD壽命最重要的決定因素[7]，本文將著重開展管芯可靠性研究。SLD管芯失效主要由熱應(yīng)力誘發(fā)，為此本文通過開展溫度加速壽命試驗(yàn)來確定SLD管芯預(yù)計模型中的各模型系數(shù)。

3.1 Arrhenius方程

Arrhenius方程是最常用表征壽命與溫度關(guān)系的模型[13]，本文中亦將參照該方程來獲取SLD管芯預(yù)計模型各系數(shù)：

式中：表示產(chǎn)品性能退化量；為常數(shù)且大于零；a激活能，單位eV；為玻爾茲曼常數(shù)，8.618×10–5eV/K；為管芯溫度。

若元器件的失效是由初始狀態(tài)的退化量為0累積到一定狀態(tài)引起的，那么壽命就是反應(yīng)累積到所需的時間，由Arrhenius方程兩邊積分取對數(shù)得：

公式（8）即加速壽命方程，產(chǎn)品的壽命的對數(shù)與加速應(yīng)力溫度的倒數(shù)之間滿足線性關(guān)系。

Arrhenius方程的加速系數(shù)：

式中：s是加速溫度；0是正常溫度。

3.2 可靠性試驗(yàn)

常見的可靠性評估方法，是基于失效壽命數(shù)據(jù)，但對于高可靠長壽命產(chǎn)品，很難通過壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)得到失效壽命時間，可以利用產(chǎn)品性能退化過程中所包含的信息對產(chǎn)品可靠性進(jìn)行評估[15]。對于SLD管芯而言，輸出光功率是其最重要的性能參數(shù)[16-17]，因此，選擇輸出光功率作為管芯的性能退化參數(shù)，開展管芯的加速壽命試驗(yàn)。

隨機(jī)選取15只SLD管芯，共進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組5只試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)溫度分別為70，85，100℃，在施加恒定電流下持續(xù)通電工作，每隔一定時間對管芯的輸出功率進(jìn)行測量，得到的加速壽命試驗(yàn)中各組試驗(yàn)樣品輸出功率隨老化時間的變化數(shù)據(jù)如圖1所示。

（a）1=70 ℃；（b）2=85 ℃；（c）3=100 ℃

圖1 SLD管芯功率變化曲線

Fig.1 Changing curves of output power of SLD chip

3.3 可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對管芯在三種高溫應(yīng)力下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)管芯的性能退化軌跡呈現(xiàn)線性變化，選取=+作為退化軌跡方程擬合函數(shù)，利用最小二乘法對各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后，得到管芯在三種高溫應(yīng)力條件下的擬合曲線如圖2所示，擬合后得到的各組退化軌跡擬合函數(shù)參數(shù)，如表2所示。

（a）1=70℃；（b）2=85℃；（c）3=100℃

圖2 高溫應(yīng)力條件下的退化軌跡擬合曲線

Fig.2 The fitting curves of degradation trajectory under high temperature stress

表2 退化軌跡擬合函數(shù)參數(shù)

利用管芯的退化軌跡方程，以及擬合得到的參數(shù)，經(jīng)過外推可以得到各組試驗(yàn)條件下管芯退化至失效（輸出功率降至50%）時的時間，即偽失效壽命，不同高溫應(yīng)力條件下管芯的偽失效壽命如表3所示。

表3 不同高溫應(yīng)力條件下管芯的偽失效壽命

3.3.1 分布假設(shè)檢驗(yàn)

研究表明半導(dǎo)體器件加速壽命試驗(yàn)中壽命基本符合威布爾分布，利用χ2檢驗(yàn)來測驗(yàn)高溫加速應(yīng)力試驗(yàn)下管芯偽失效壽命是否服從威布爾分布：

偽失效壽命分布假設(shè)檢驗(yàn)參數(shù)如表4所示。取顯著水平=0.1，由此得2/2(–2)=0.3518、21–α/2(–2)=7.8147，由于0.35182/<7.8147，因此，可以認(rèn)為在加速試驗(yàn)中，SLD管芯偽失效壽命服從威布爾分布。

表4 偽失效壽命分布假設(shè)檢驗(yàn)參數(shù)

此外，由圖3壽命分布函數(shù)的圖估計結(jié)果可以看出，不同溫度下SLD偽失效壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠呈現(xiàn)較好的線性擬合，符合威布爾分布。因此針對上述可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用威布爾分布獲取SLD管芯在幾種高溫應(yīng)力下的壽命。

圖3 威布爾分布圖估計

3.3.2 威布爾分布

威布爾失效概率密度：

失效分布函數(shù)表達(dá)式為：

式中：是尺度參數(shù)；是形狀參數(shù)。

可靠度函數(shù)()、平均壽命MTBF、失效率()表達(dá)式為：

由于直接求和估計比較困難，因此以和代替威布爾分布參數(shù)和，關(guān)系如下：

和的最優(yōu)線性無偏估計為：

式中：為樣品數(shù)；為失效數(shù)；為失效器件編號；(,,)稱為的最優(yōu)線性無偏估計系數(shù)；(,,)稱為的最優(yōu)線性無偏估計系數(shù)。由此可得和的近似無偏估計：

式中：g, n為的修偏系數(shù)。

對于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中威布爾分布線性估計，根據(jù)下式可對整體形狀參數(shù)進(jìn)行估計：

3.3.3 模型參數(shù)估計

表5 最優(yōu)線性無偏估計結(jié)果

Arrhenius方程作為壽命與溫度的表征模型，需確定激活能。為此，依據(jù)公式（7）、（8）對各組試驗(yàn)溫度及對應(yīng)的管芯特征壽命進(jìn)行處理，結(jié)果如表6所示。

表6 SLD管芯數(shù)據(jù)處理結(jié)果

利用最小二乘法對曲線擬合可以得到公式（8）中和估計值，擬合后的結(jié)果為：

則=–6.99，=7453，進(jìn)而得到SLD管芯激活能a：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，采用SLD的激活能0.65 eV，可以計算得到70℃溫度應(yīng)力相對于25℃溫度應(yīng)力的加速系數(shù)為：

得到管芯室溫條件下的特征壽命：

則室溫下管芯的平均壽命為：

即SLD管芯在驅(qū)動電流為100 mA，室溫25℃的工作條件下，平均壽命可以達(dá)到百萬小時。

對室溫下壽命期內(nèi)器件失效率進(jìn)行平均處理得到：

管芯溫度系數(shù)為：

其中：a=0.65 eV。

4 管芯耦合及組件可靠性評估

管芯耦合。對于管芯耦合失效主要與焊點(diǎn)工藝相關(guān)，當(dāng)前國內(nèi)SLD耦合工藝基本一致，耦合失效率參照GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中焊接點(diǎn)的失效率[18]。

制冷器。國內(nèi)SLD中使用的熱電制冷器均為進(jìn)口電子元器件，溫度和電應(yīng)力對其失效率沒有影響，制冷器的工作失效率預(yù)計模型參照SR-332《電子設(shè)備可靠性預(yù)計程序》，其失效率取值4.9×10–9/h[19]。

熱敏電阻。關(guān)于熱敏的工作失效率預(yù)計模型可參照GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》，其失效率取值為4.5×10–8/h[18]。

5 結(jié)論

本文針對新型、關(guān)鍵元器件SLD，開展可靠性預(yù)計建模技術(shù)研究，探尋新型預(yù)計建模方法，建立較為準(zhǔn)確可靠性預(yù)計模型，基于性能退化可靠性評估技術(shù)，通過開展加速壽命試驗(yàn)確定了預(yù)計模型參數(shù)，保證建立的預(yù)計模型具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，從而支撐可靠性預(yù)計工作的順利開展。

需要指出的是，本文建立的可靠性預(yù)計模型僅適用于為正常工作條件下的SLD可靠性分析評價工作提供支撐。此外，用戶可利用積累的失效、現(xiàn)場使用等可靠性數(shù)據(jù)，對本模型建模進(jìn)行修正，提高模型的適用性水平。

[1] 王佐才, 呂雪芹, 金鵬, 等. 超輻射發(fā)光二極管的應(yīng)用 [J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(5): 297-303.

[2] 唐雄, 范仁森, 馬正飛, 等. 硅基片上光互連電路設(shè)計 [J]. 光電子, 2016, 6(2): 47-53.

[3] 韋文生, 張春熹, 馬靜, 等. 超輻射激光二極管的研究與應(yīng)用 [J]. 激光與紅外, 2003, 33(6): 409-411.

[4] 廖柯, 劉剛明, 周勇, 等. 850 nm超輻射發(fā)光二極管[J]. 半導(dǎo)體光電, 2004, 25(4): 257-261.

[5] KASHIMA Y, MATOBA A. Performance and reliability of InGaAsP superluminescent diode [J]. J Lightwave Technol, 1991, 11(10): 1644-1649.

[6] 韋文生, 張春熹, 馬靜, 等. 1.3 μm DH-SLD的性能與工作電流和溫度的關(guān)系 [J]. 紅外, 2004(4): 18-23.

[7] 孫孟相, 譚滿清, 王魯峰. 1300 nm超輻射發(fā)光二極管壽命測試 [J]. 光學(xué)學(xué)報, 2008, 28(10): 1994-1997.

[8] 晁代宏, 馬靜, 張春熹. 基于性能退化數(shù)據(jù)的超輻射發(fā)光二極管可靠性評估研究 [J]. 光學(xué)學(xué)報, 2010, 30(10): 3044-3048.

[9] 唐祖榮, 楊虹. 1.3 μm超輻射發(fā)光二極管模塊功率穩(wěn)定性研究 [J]. 半導(dǎo)體光電, 2004, 25(6): 430-432.

[10] 李輝, 王玉霞, 李梅, 等. 高功率850 nm寬光譜大光腔超輻射發(fā)光二極管 [J]. 中國激光, 2006, 33(5): 613-616.

[11] 高松信, 魏彬, 呂文強(qiáng), 等. 高功率二極管激光器失效特性研究 [J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2005, 17(50): 97-99.

[12] 胡放榮, 熊顯名, 張劍家. 高功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的可靠性研究 [J]. 激光與紅外, 2006, 36(5): 358-360.

[13] 李嵐. 薄膜熒光屏的制備和發(fā)光性能及超輻射發(fā)光二極管熱分析研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2006.

[14] 林震, 姜同敏, 程永生, 等. 阿倫尼斯模型研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn), 2005(6): 12-13.

[15] 鄧愛民, 陳循, 張春華, 等. 基于性能退化數(shù)據(jù)的可靠性評估 [J]. 2006, 27(3): 546-552.

[16] LOBINTSOV P A, MAMEDOV D S, YAKUBOVICH S D. Lifetime tests of superluminescent diodes [J]. Quantum Electron, 2006, 32(2): 111-113.

[17] CHAO D H, MA J, LI X Y. Research on the reliability of SLD through accelerated life testing [C]// 8th International Conference on Reliability, Maintainability and Safety, Beijing, China: The Conference Organizer, 2009: 1263-1267.

[18] 中國人民解放軍總裝備部. GJB/Z 299C—2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

[19] BELLCORE. Reliability prediction procedure for electronic equipment: Telcordia Technology Special Report SR-332 [R]. USA: [s.n], 2011.

（責(zé)任編輯：陳渝生）

Research on reliability prediction model for SLD based on accelerated lifetime test

YANG Yun, REN Yan, YU Di, ZHOU Junlian, DAI Zelin

(No.5 Electronic Institute, Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610, China)

Superluminescent diode (SLD) is widely used in aviation, aerospace and other fields. Unfortunately, due to the absence of the prediction model for SLD, few effective guidance for reliability analysis is available. In this paper, the prediction model for SLD was established based on the main failure modes, mechanisms and typical induced stress of SLD. To quantitatively determine the reliability prediction model coefficients of SLD chip, the accelerated lifetime test was carried out, and the methods of reliability estimation based on performance degradation, figure estimation, optimal linear unbiased estimation and least square method were employed for data processing. Moreover, the coupling and internal components model coefficients were characterized on the basis of existing reliability prediction technology of coupling, thermistor and refrigerator. The result provides valuable technical information for reliability analysis of the engineering applications of SLD.

optical devices; superluminescent diode (SLD); reliability; prediction model; accelerated lifetime test; performance degradation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.015

TN386

A

1001-2028（2018）02-0079-06

2017-11-26

楊云

楊云（1988－），女，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橘|(zhì)量與可靠性；任艷（1983－），女，河南三門峽人，高級工程師，研究方向?yàn)橘|(zhì)量與可靠性。