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GR-468標(biāo)準(zhǔn)簡介
今天簡單聊一聊通信應(yīng)用中光電子器件的可靠性測試。主要參考的是Telcordia發(fā)布的《Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment, GR-468-CORE-Issue 2, 2004》。中國在2007年也發(fā)布了國標(biāo)GB/T 21194-2007：《通信設(shè)備用的光電子器件的可靠性通用要求》，主要也是參考GR-468制定的。GR-468針對的是電信級(jí)應(yīng)用的長壽命光電子器件。涉及激光器、發(fā)光二極管LED、探測器、EML電吸收調(diào)制器及其他外調(diào)制器等。該標(biāo)準(zhǔn)是為這些器件能夠有20年以上的預(yù)期壽命所進(jìn)行的可靠性要求。
GR-468中提到了六個(gè)可靠性保證程序的組成要素，圖1分別對這六個(gè)項(xiàng)目所涉及到的主要內(nèi)容進(jìn)行了說明。除可靠性驗(yàn)證外，其他五項(xiàng)旨在通過全面的可靠性保證計(jì)劃來控制產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的可靠性，主要包括供應(yīng)商審核、逐批的質(zhì)量和可靠性控制、反饋和糾正措施、存儲(chǔ)和處理程序以及過程中文檔庫的整理。
圖1 可靠性認(rèn)證的六個(gè)基本項(xiàng)目
在光電子器件中，即使最初測試合格客戶/供應(yīng)商已確認(rèn)，也需要定時(shí)進(jìn)行重新確認(rèn)。客戶至少每兩年進(jìn)行一次復(fù)核，對可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)審查，確保供應(yīng)商的運(yùn)營處于質(zhì)量可控之下。客戶應(yīng)對每個(gè)批次都做測試和分析，并檢查和糾正生產(chǎn)過程或現(xiàn)場應(yīng)用報(bào)告中的任何問題，及時(shí)反饋給供應(yīng)商。供應(yīng)商的認(rèn)證測試結(jié)果，需清楚記錄，并保存五年以上。
這主要是在器件制造、組裝以及測試篩選過程中，微小差異都可能導(dǎo)致對可靠性產(chǎn)生巨大影響，光電子器件不能像其他元器件，通過“相似"、“類似"或者“產(chǎn)品系列"來做通用性鑒定。比如光模塊采用同樣的激光器，同樣的生產(chǎn)線，僅僅是耦合后的實(shí)際功率有差異，也需要重新認(rèn)證，分析其失效和劣化原因。
采購方需要對光電器件的存放十分小心，避免潮濕/過熱的環(huán)境，嚴(yán)格遵守防靜電流程。
由于可靠性測試項(xiàng)目與器件類型、器件應(yīng)用場景關(guān)系很大，因此有必要對器件和應(yīng)用場景進(jìn)行分類。GR-468中按封裝層次對產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)（主要針對有源器件）：
1. wafer level: 晶圓級(jí)，芯片還未解理的狀態(tài)。GR-468不包括晶圓級(jí)的可靠性認(rèn)證和測試定義。
2. diode level：芯片級(jí)，GR-468很多定義是和芯片強(qiáng)相關(guān)的，但是這些芯片必須得放在一個(gè)載體上才能工作測試。因此芯片級(jí)還需要在子組件基本進(jìn)行測試和認(rèn)證。
3. submodule level：光組件級(jí)，芯片被初步組裝，但還不具備完整的光/電接口，比如TOcan或COC。
4. module level：光器件級(jí)，芯片擁有了完整的光電接口，可以進(jìn)行一系列指標(biāo)測試，比如TOSA、ROSA、BOX等。
5. Integrated Module：光模塊級(jí)，通信等應(yīng)用中的最終產(chǎn)品形態(tài)。
圖2 按照封裝層次可以將有源器件分為5個(gè)層級(jí)
針對不同的應(yīng)用場景，主要分為受控環(huán)境（CO）和非受控環(huán)境（UNC）。由于光電子器件對溫度環(huán)境敏感，因此在不同環(huán)境下對光模塊的操作溫度、范圍以及可靠性要求不一樣：
1. CO環(huán)境，長期溫度限制在5~40°C，短期內(nèi)-5~50℃，光器件的工作溫度需要延伸20°C。因此器件的工作范圍處于-5~70℃。
2. UNC環(huán)境，室外溫度氣溫在-40℃~+46℃，通信設(shè)備周圍空氣溫度可達(dá)65℃，光器件工作溫度需延伸20℃，因此器件的工作范圍處于-40℃~85℃。
光器件中失效率同其他類型器件相似，光器件的故障率也可以用FIT來表示，F(xiàn)ailure in Time。1 FIT的定義為運(yùn)行10億小時(shí)出現(xiàn)一個(gè)故障。光電子器件的故障率在不同的時(shí)間的變化也符合浴盆曲線。根據(jù)浴盆曲線，光電子器件的失效主要分為3個(gè)階段：
1) 早期失效。這一階段問題較多，暴露較快，當(dāng)這些問題逐漸得到處理后，故障率由高到低發(fā)生變化，隨時(shí)間增加趨于穩(wěn)定。對于早期失效期，需要經(jīng)過早期篩查檢測，盡快去除影響；
2) 隨機(jī)故障。設(shè)備處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，故障率較低且穩(wěn)定，甚至基本保持不變，這段時(shí)間稱為設(shè)備作業(yè)的最佳時(shí)期，也是設(shè)備的有效壽命期。光電子行業(yè)相比于集成電路，隨機(jī)故障率高，光模塊的熱插拔封裝來由，其中一個(gè)因素是能快速維修和更換，盡量降低失效對整體系統(tǒng)性能的影響；
3) 磨損故障。這個(gè)時(shí)期設(shè)備故障率急劇升高，主要是由于設(shè)備經(jīng)過較長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)使用，某些零件的磨損進(jìn)入劇烈磨損階段，有效使用壽命結(jié)束，設(shè)備已處于不正常狀態(tài)。
圖3 失效率浴盆曲線
（來源：Sangdeok Kim KL, Semin Cho. The Lifetime of a Human and Semiconductor: eetimes; 2021）
一般電信級(jí)應(yīng)用要求光器件的工作壽命是20年，二十年累積失效率小于100 FITs。在實(shí)際試驗(yàn)中通常采用加速老化試驗(yàn)的方法，通過提高應(yīng)力，用數(shù)千小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果來推算器件的工作壽命，然后選擇恰當(dāng)?shù)母怕史植既ビ?jì)算器件的失效率。加速壽命試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是Arrhenius 方程:
其中β為調(diào)整系數(shù)，Ea為活化能，kB 為玻爾茲曼常數(shù) ，Ti為工作溫度。Arrhenius方程是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，適用于單一因素影響下的老化過程。通過對比正常工作溫度T0與高加速溫度Ti，可以估算出其加速系數(shù)τ：
針對激活能的計(jì)算方法以及常見器件的激活能數(shù)值可靠性知識(shí)GR-468均有說明，下表是標(biāo)準(zhǔn)中給出的不同器件在不同失效期時(shí)的參考活化能Ea。需要注意的是，Ea取值的不同將很大程度上影響到加速系數(shù)和最終的老化時(shí)間，在條件允許的情況下，產(chǎn)品應(yīng)該盡量通過不同溫度下的加速老化實(shí)驗(yàn)確定準(zhǔn)確的活化能。
表1 GR-468中給出不同器件的參考激活能
（來源：Telcordia: Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment, GR-468 Issue Number 02 (2004)）
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