高溫加速壽命試驗在激光器管芯可靠性分析中的應用

楊綢綢　戴智麗　王連進

摘 要：該文研究了高溫加速壽命試驗在激光器管芯可靠性分析中的應用，給出了加速老化試驗的試驗方法、基本概念和流程，并結合試驗數據研究了高溫加速壽命試驗對激光器管芯的可靠性影響以及對激光器管芯壽命的預測，為在實際應用中使用高溫加速壽命試驗節省時間，為提高管芯可靠性提供技術支持。

關鍵詞：激光器管芯 高溫加速壽命試驗 可靠性 壽命

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0077-01

1 可靠性分析基本理論

隨著市場經濟和科學技術的發展，設計和制造水平的不斷提高，各個領域的設備和產品不斷朝著高性能和高可靠性方向發展，人們不僅要求產品物美價廉，而且十分重視產品的可靠性和安全性。產品的可靠性越高，壽命越長，在相對短期內幾乎不可能失效，因此很難獲得失效數據。這些情況的出現給可靠性分析帶來了一些問題，由于無法得到足夠的失效數據，這使得基于失效數據分析的傳統可靠性分析方法很難使用或分析結果與實際應用偏差較大。

產品的高溫加速壽命試驗數據包括很多的可靠性信息，通過產品的加速壽命試驗進行可靠性分析可以在很大程度上節省時間和費用。也可以解決可靠性高、壽命比較長的產品可靠性評估問題。本文以激光器管芯高溫加速壽命為例，對高溫加速壽命試驗的一般概念和激光器管芯的可靠性進行了探討，并對激光器管芯的可靠性進行了分析預測。

2 可靠性指標

產品的可靠性有好幾種標準衡量，有定量的，也有定性，有時要用好幾種指標去衡量一種產品的可靠性，但最主要的指標有：可靠度、失效率、平均無故障工作時間（MTBF）等。對電子產品而言，產品失效一般符合浴盆曲線分布，即產品失效分為早期失效階段、中期穩定失效階段和后期失效階段。早期失效，由于少數產品在制作后存在運輸、調試等問題，產品有比較明顯的缺陷，在投入使用的最初期，這缺陷很快就暴露出來了，隨著時間的增長，這些明顯的缺陷越來越少，也就形成了失效率迅速下降的現象；中期穩定階段，產品的失效穩定在一個比較低的水平，當少數產品的明顯缺陷暴露出來后，剩下的就是正常產品，這部分產品可以穩定、持久的工作，所以失效率穩定在一個較低水平；后期失效階段，這段時間，產品的失效率迅速上升，后期產品經過長時間的工作、磨損和老化，慢慢接近壽命終點，隨著時間的增加，到達壽命終點的產品越來越多，失效率也就隨之上升。

3 激光器管芯的特性

激光器管芯的核心發光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數載流子與多數載流子復合時，就會發出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的，即向各個方向發射有相同的幾率，因此，并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高半導體激光器的內、外部量子效率。

管芯頂部包封的環氧樹脂有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。

4 高溫加速壽命試驗的理論依據和試驗方案

4.1 高溫加速壽命試驗的理論依據

半導體器件等電子元器件在使用或儲存過程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學變化。當這一物理化學變化過程發展到一定階段時，器件的外觀個性和功能就逐步變化，最終導致特性的退化和功能的完全喪失，即失效。器件的失效大多是由于器件表面狀態的變化和體內、金屬化系統等的物理化學變化造成的。例如，由于PN結附近有雜質離子或其他沾污形成導電溝道，使器件反向漏電流變大、擊穿電壓下降；由于濕氣或其他有害氣體侵入管殼內產生化學腐蝕等，這些變化實質上都是物理化學變化過程。它們的變化過程跟溫度有密切關系。當溫度升高以后，這些物理變化過程大大加快，器件的失效過程被加速，這就是加速老化試驗的理論依據。

高溫加速壽命試驗就是用加大應力的方法促使樣品在短時期內失效，從而預測激光器管芯在正常儲存條件或工作條件下的可靠性，這樣就可以在較短時間內通過少量樣品的高應力試驗，推算出產品在正常應力下的可靠性水平，以供用戶設計時參考，或作為工藝對比及合理制定篩選條件和例行試驗規范的依據。同時，結合失效分析，還可以隨時了解造成產品不可靠的主要因素，并迅速反饋到有關設計或制造部門加以改進及糾正。因此，高溫加速壽命試驗不僅節省了人力、物力和時間，并且結合失效分析技術已發展成為控制、提高激光器管芯可靠性的一種行之有效的好辦法。高溫加速壽命試驗所加的應力有溫度、功率、電壓、電流等應力，本文主要研究對激光器管芯在溫度和電流條件下的高溫加速壽命試驗以及對激光器管芯可靠性的探討。

4.2 激光器管芯的高溫加速壽命試驗

激光器管芯的高溫加速壽命試驗數據顯示，依據產品的壽命周期曲線，有些產品會出現失效。在驅動電流相同時，溫度越高，時間越長，器件的光功率下降越快，閾值電流上升越快，失效的樣品數量越多，因此通過加大應力的方法促使樣品在短時期內失效，從而預測激光器管芯在正常儲存條件或工作條件下的可靠性。通常在高溫加速壽命試驗中很少有器件在試驗過程中短時間會實際超過壽命終止閾值。

5 激光器管芯的可靠性分析

通過對激光器管芯進行的可靠性試驗來看，環境應力對管芯性能參數影響較大，通常在試驗過程中選定的參數要定期檢測直到退化超過壽命終止閾值即失效判據或規定的小時數已經達到。通常在試驗結束時沒有失效的器件所反映出來的任何性能參數退化都可以用來作為壽命終止終止閾值試驗的估計。這些估計的時間可以用于管芯可靠性的各種相關計算。從而對激光器管芯的可靠性進行預測。

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