激光芯片的可靠性是一項十分關(guān)鍵的指標(biāo),無論是小功率的激光筆還是要求較高的激光通信芯片,,都需要進(jìn)行芯片的老化和可靠性的測試,。
相比于傳統(tǒng)的電子類的芯片,激光的測試比較復(fù)雜,,牽涉到光、電的測量,也要考慮封裝形式的區(qū)別,。老化試驗是作為芯片的一個檢測手段,,在研發(fā)初期,也可以通過芯片老化試驗,,得到很多芯片質(zhì)量信息,,可以查找早期的一些工藝問題等。
我們知道激光芯片的測量一般都是看LIV數(shù)據(jù),,如下圖:
激光的光電參數(shù)受熱的影響較大,。
如上圖,隨著溫度的升高,,芯片的閾值電流增加,。
通常晶圓在完工之后,要先進(jìn)行晶圓級的檢查,,這時候,,因為無法測試到側(cè)邊的發(fā)光,因此一般不做通電檢查,,也就檢查一下外觀和一些芯片的關(guān)鍵尺寸,。
第二步分裂成bar條之后,可以初步測試出光情況,,因為沒有特定的出光面和反光面,,因此也不是完全正確的激光模式,發(fā)光功率可以簡單的認(rèn)為兩端一樣高,。
第三步做AR面和HR面鍍膜,,然后進(jìn)行Bar條測試,測試后可分成單獨(dú)的芯片顆粒,。
做老化,,要等到芯片封裝完成器件之后,如To9封裝,,才能進(jìn)行,。
芯片的壽命可以用Arrhenius公式:阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation )是化學(xué)術(shù)語,是瑞典的阿倫尼烏斯所創(chuàng)立的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗公式,。
挪用到激光芯片上就是:
如上圖同是Ea=0.7eV的激光器,,在室溫20℃下的壽命是10萬小時,但是在70℃下只有2300小時,。
封裝好的芯片壽命測試一般要進(jìn)行1000小時的老化,,甚至更長。在通信產(chǎn)業(yè)有專門針對激光器測試的Telcordia測試標(biāo)準(zhǔn),。
加速老化是快速測試的一種手段,,通過高溫、大注入電流、或者更高的出光功率,。高溫是常用的一個方向,。
老化常用的三種測試模式:
1)定電流模式模式,在老化過程中,,提供一種ACC(automatic current control)模式,,也就是定電流。
2)定功率模式,,也叫APC(automatic power control),,出射光的光功率保持在一個常量(通過調(diào)節(jié)電流供給)。功率模式在老化測試中比較常用,,因為比較接近實際應(yīng)用的場景。
3)定期的測試,。把laser放入一個100℃的環(huán)境內(nèi),,定期拿出來量一量。
激光器在實際的老化工程中,,如果采用周期式的測試,,也會存在很多外界影響因素,主要是溫度不穩(wěn)定,,設(shè)備測量和控制不穩(wěn)定,,設(shè)備的可靠性和電源失效。溫度控制難的一個原因是激光器的自發(fā)熱,,即使緊緊夾雜裸露的鋁散熱器上的To-can封裝,,激光器同樣也有5~10C/W的熱阻。如果激光器在100mA和1.8V的條件下工作,,在激光器內(nèi)部和散熱片可能有1.5℃的溫差,。
另外激光器在給定的電流下對溫度很敏感,哪怕散熱片只有0.1℃的波動就會造成輸出光功率的噪聲,。而且外部用于測量的光敏二極管,,也會受到溫度的影響,進(jìn)而得到不同的光功率數(shù)據(jù),,因此也需要對其溫度進(jìn)行控制,。
激光器壽命周期研究要求在數(shù)千小時對激光器工作參數(shù)甚至百分之幾的變化進(jìn)行精確測量。因此在1000小時內(nèi)測試設(shè)備的穩(wěn)定性必須達(dá)到0.1%,。
上圖是16個DFB激光器在APC模式下75℃時1000小時的測試結(jié)果,。
通常在測試開始前幾百小時老化速度最快,后來是一個穩(wěn)定的線性老化特性,,每一個激光器的使用壽命在線性區(qū)都是一條直線,。所以可以推斷出預(yù)定義電流下的使用壽命。
如以電流變化20%作為使用壽命的盡頭。在75℃時使用壽命估計從360小時到16450小時,,這些數(shù)據(jù)通過Weibull可能性分布,,得到平局使用壽命為2200小時。
上圖在930小時有個直線下落,,是老化系統(tǒng)突然斷電導(dǎo)致,,后續(xù)上電之后,圖形還能繼續(xù)走,,說明老化是可以中斷的,,但是盡量不要插拔,laser2在500~800小時的時候可以觀測到不穩(wěn)定的讀數(shù),,這個在老化測試中也是常見的現(xiàn)象,,和測試硬件和手法都有關(guān)系,也不用太在意,,可能旁邊震動一下就會跳,。
老化是激光器產(chǎn)品篩選的一道重要工序,篩選出那些壽命可能較短的產(chǎn)品,,使剩下的大量的激光器都具有滿意的可接受的可靠性,。因為老化對生產(chǎn)成本和時間有影響,一般老化時間小于100小時,。
原文標(biāo)題 : 激光器芯片的壽命可靠性問題
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