光器件的可靠性：GR-468

提起光器件的可靠性，就不得不提Telcordia。Telcordia前身Bellcore，1999年被科學應用公司收購后改名Telcordia，現在Telcordia屬于愛立信。

Telcordia影響力如此之大，相信只要是咋們這個行業做過產品可靠性的，應該沒人沒聽說過Telcordia。否則只能證明你的產品毫無可靠性！

Telcordia可靠性標準中，對我們*具有參考意義的應該就是GR-468和GR-1209/1221了。GR-468重點講了有源器件的可靠性標準，而GR-1209/1221重點講無源器件的可靠性。雖然涵蓋的產品種類不同，但是可靠性測試包含的項目大體相同。

現在就以GR-468為主線盤點一下可靠性測試項目：

可靠性測試項目與器件類型、器件應用場景關系很大，因此有必要先對器件和應用場景進行分類。

按照封裝層次，可以分為5個層級（更多針對有源器件）：

1. wafer level: 晶圓級，芯片還未解理的狀態

2.diode level：芯片被解理/切割成一顆顆，或者芯片貼裝在熱沉上的狀態

3.submodule level：芯片被初步組裝，但還不具備完整的光/電接口,

比如TO組件

4.module level：芯片擁有了完整的光電接口，可以進行一系列指標測試，

比如TOSA器件

5.Integrated Module：多個光電組件組成一起，形成的更上等封裝，比如光模塊

按道理來講，越初級的封裝，做可靠性的成本越低。比如已經在晶圓上完成了老化（burn in），那么就可以省去芯片級的老化步驟，可以節省不少工時和物料；如果提前完成了芯片非氣密可靠性，那么器件或者模塊的非氣密可靠性更容易得到保證。

但是考慮到實際情況（主要是測試），在晶圓上不可能測出DFB的PIV或者眼圖；在TO級別，沒有耦合連接器，也不可能測出耦合效率。既然無法測出某些關鍵指標，也就無從判斷是否合格，因此一般可靠性都是建立在芯片級、器件級，以及模塊級的封裝上。

按照應用場景分類，可分為

1. 溫度長期處于5~40℃，低溫偶爾到-5或高溫偶爾到50℃的環境，比如室內環境。用于室內的模塊，工作范圍處于商溫（0-70℃/-5-70℃）就夠了。

2. 溫度不受控制，低可以到-40℃比如東北，高可以到65℃比如中東，后面全部以室外環境代替。用于室外的模塊，工作溫度范圍一般為-40~85℃

下面開始盤點光器件要做的可靠性驗證項目。

1. 機械完整性

1.1 機械沖擊與振動

當產品被運輸的時候，難免拋來拋去；使用的時候，也難免磕磕碰碰；即使產品被安裝在設備上了，也會有風扇引起的振動。機械沖擊和振動就是針對這些情況提前做好預防與篩選工作。

1.2 熱沖擊

當一個冷玻璃杯突然倒入開水的時候，由于劇烈的熱脹冷縮引起應力，來不及釋放，使得玻璃杯破裂。氣密封裝的光器件雖然不至于破碎，但內部氣體縮脹、各材質熱脹系數不一致引起的引力，也可能導致氣密失效。

熱沖擊主要針對氣密性封裝的器件，需要將器件來回浸泡在0℃的冰水混合物和100℃的開水中。浸泡時間要求不小于2分鐘，且5分鐘之內達到水的溫，然后10秒鐘之內轉移到另一個水槽內。做15個循環就完成了熱沖擊過程。

重要的事情再說一遍，此測試僅針對氣密封裝器件，你要是把QSFP模塊泡在水里做這個測試，壞了可別怪我。

1.3 光纖可靠性

對于有尾纖的器件或模塊，比如尾纖式TOSA，還要進行尾纖受力測試（沒有尾纖的忽略此項目）：

根據尾纖受力形式不同，分為軸向扭轉、側向拉力、軸向拉力。主要參數就是施加力的大小，和施加力的次數或時間。力的大小和受力次數（時間）根據光纖是025帶涂覆層光纖、松套光纖（如09松套）、緊套光纖（09緊套）、還是加強型光纖（如3mm中間填絲線保護光纖）而定。

1.4 連接器可靠性

對于有連接器的器件和模塊，需要對連接器的可靠性進行檢查。

主要包括

插拔可靠性：和外接連接器拔插200次，監控光功率

抗非軸向扭擺(wiggle)：Cisco 認定光學設備中光纖光纜受非軸向力時會明顯導致光功率變化，這就是wiggle，還沒找到標準。

抗拉托特：要求10次測試中，小于30%的概率被拉出。

2. 不帶電環境（存儲/運輸）壓力可靠性

2.1 高溫/低溫存儲

器件存儲環境千差萬別，有些器件可能放在東北，零下幾十度；又些器件可能被運往中東，環境溫度五十多度，車內甚至可以到70多度。因此很有必要在發貨前，就驗證器件是否能抗的住這些溫度。由于只是運輸存儲，所以不帶電。

一般有低溫存儲和高溫存儲。經大量經驗發現，有源器件在低溫下，不太可能失效，所以低溫存儲時間只有72小時，甚至可以不用做；而高溫存儲一般在85℃下存儲2000h，如果器件的*高工作溫度高于85℃，那么在器件*高工作溫度下存儲。

相比有源器件，無源器件里面用的膠比較多，膠有個很重要的參數就是T**，T**是膠的力學特性改變溫度點。因此一般無源器件在-40℃低溫存儲1000h。

2.2 高低溫循環

上周武漢天氣從18℃一下降到-2℃，然后這幾天又回到了10℃，我們很多人身體都不“可靠了”，紛紛感冒。但是咋光器件可不能失效啊，否則感冒在家不能上網多難受。幾乎所有光器件在出廠前都要經歷溫循考驗。

每種材料的熱膨脹系數不一樣，只有在劇烈的溫度變化下，才能考驗不同材料是否存在失效風險。

溫循可比天氣變化嚴格多了，升降溫速率至少10℃/min，在85℃和-40℃這兩個溫度點，還要停留足夠長的時間讓器件達到環境溫度。對于室內應用的光模塊，溫循100次就OK，對于室外應用光模塊，需要溫循500次。對于有TEC控溫的模塊，溫循的時候，需要把TEC開著。

2.3 濕熱

聽起濕熱是不是稍感陌生，但提起雙85應該很熟悉吧。濕熱不一定是85℃/85%RH，也可以使其它溫度和濕度的組合（75℃/90%RH），只是85℃/85%是*常用的濕熱條件。濕熱可以測試氣密性器件的氣密特性，也可以考驗非氣密器件的可靠性。GR-468上不分室內室外應用，推薦的85℃/85%RH時間是500h，而GR-1221推薦室外應用雙85可靠性要做到至少2000h。需要注意的是，這些標準推薦的時間只是一個*低參考，具體時間可以根據產品特點而選定，也可以和后面更嚴格的帶電雙85合并。

3. 帶電（工作狀態）可靠性

3.1 高溫可靠性：

芯片/器件/模塊開足馬力，以*大電流或者*大功率條件下工作。這樣做是為了加速失效。對于室外應用，溫度設定在85℃，對于室內應用，溫度設定在70℃；對于芯片級可靠性，持續時間5000h，對于器件或模塊級可靠性，持續時間2000h。特別地，對于PD，溫度一般設定在175℃，時間2000h。

3.2 耐周期濕度可靠性

濕度和溫度同時變化條件下的可靠性實驗，有可能會產生水汽凝結或者結霜。這個實驗僅僅針對室外應用的器件和模塊。該實驗的溫濕度控制曲線如下圖，要做20個循環。一個循環下來要24小時，至少有一半的循環的*后一步要降到-10℃，停留不少于3h。

3.3 濕熱可靠性：

這項實驗針對非氣密封裝的器件，85℃/85%RH，持續1000小時或2000h（視具體產品和應用而定），需要特別注意的是，并不是工作電流/出光功率越大越好，因為這樣會產生大量的熱，從而改變器件周圍的環境。對于激光器，工作電流保持在閾值電流1.2倍就行了。

以上項目基本上包含了可靠性認證絕大多數項目。對于上面所有項目，凡是需要拿模塊做實驗的，數量一般選11個；凡是拿器件或者芯片做驗證的，數量一般都是22個。沒有失效情況，才算通過可靠性。否則就要再做一次，但是再做一次就沒必要拿這么多器件/模塊出來了。

那么具體怎么操作呢，比如進行LD的高溫帶電（85℃/5000h），要求LTPD為10%，投入22只樣品，有1只失效了，顯然這個實驗沒通過。那么我們按下面這個表查找，**列為失效個數，失效1個，LTPD為10，對應的數字是38，那么只需要再拿38-22=16只芯片做一次高溫帶電，沒有失效芯片，那么這項可靠性驗證就通過了！