激光器芯片壽命可靠性測試問題

? ? ? 激光芯片的可靠性是一項十分關鍵的指標，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為兩端一樣高。
? ? ? ? 第三步做AR面和HR面鍍膜，然后進行Bar條測試，測試后可分成單獨的芯片顆粒。做老化，要等到芯片封裝完成器件之后，如To9封裝，才能進行。芯片的壽命可以用Arrhenius公式：阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation ）是化學術語，是瑞典的阿倫尼烏斯所創(chuàng)立的化學反應速率常數(shù)隨溫度變化關系的經(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測試標準。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，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，設備測量和控制不穩(wěn)定，設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，進而得到不同的光功率數(shù)據(jù)，因此也需要對其溫度進行控制。
? ? ? ? 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行精確測量。因此在1000小時內(nèi)測試設備的穩(wěn)定性必須達到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。