基于HALT方法的光纖陀螺用Y波導可靠性試驗研究

石運來,向 強,于懷勇,馮 喆,吳衍記

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

0 引言

干涉型光纖陀螺具有體積小、質量小、精度范圍廣、無運動部件、可靠性高等優點,已經廣泛應用于海、陸、空、天等領域[1-2]。目前的干涉型光纖陀螺采用的是以Y波導集成光學器件(以下簡稱“Y波導”)和保偏光纖為主的全數字閉環方案,Y波導在光纖陀螺中的作用是[3]:起偏、分束和合束、偏置調制等。Y波導作為光纖陀螺的核心部件,其可靠性對光纖陀螺的可靠性有很大影響。

國內外學者對Y波導的可靠性進行了研究。Kissa等[4]使用加速壽命的方法,證明了鈮酸鋰芯片在高溫95 ℃條件下的壽命可達25年?；裟犴f爾公司采用溫度沖擊、振動等試驗方法對Y波導的失效形式進行了可靠性分析。北京航空航天大學的楊德偉等[5]對Y波導的可靠性增長進行了研究,Y波導的活化能Ea取0.8 eV,推導出Y波導在85 ℃、相對濕度(relative humidity, RH)85%條件下正常工作500 h的壽命等效于在40 ℃、85%RH條件下 20 780 h 的壽命。吳瓊瑤等[6]使用環境應力篩選的方法,將Y波導的成品率提高到93%以上,因此將環境應力篩選方法作為重要的可靠性保證措施。

但是上述使用的傳統研究方法普遍存在測試周期長、測試成本高等缺點,需要一種降低測試時間和測試成本的方法來進行Y波導可靠性研究。高加速壽命試驗(highly accelerated life test,HALT)的概念是美國科學家霍布斯(Gregg K. Hobbs)在20世紀80年代提出的[7],是為了在產品的設計階段,快速有效地發現設計和制造工藝的薄弱環節,并且加以改進的一項試驗技術。

國外對HALT的應用高度商業化,特別是電子產品的制造商,紛紛把HALT作為改進和優化產品以提高產品競爭力的重要技術手段[8-9]。在實際應用方面,1991年2月,Boeing公司分別采用軍用規范方法和HALT方法進行飛機用電子機箱的制造,研究表明基于HALT方法可將產品的質量和尺寸降低30%,成本降低90%,可靠性也顯著提升。

國內劉學斌、丁光雨等[10]對常規試驗裝備進行了摸底,獲得兩種型號繼電器的低溫操作極限為-70 ℃,高溫操作極限為120 ℃,振動工作極限為50 Hz、30g。胡曉靜、王海亮等[11]將HALT應用于繼電保護裝置的研究上,在研制過程中應用HALT進行優化改進,大大提升了產品的可靠性。瓦鑫、潘榮榮、吳佳燕等[12]介紹了HALT在燈具上的應用和燈具在HALT下的失效形式,試驗結果表明受試品在短時間高應力作用下表現出的特性與產品在長時間低應力作用下表現出的特性是一致的,證明了使用HALT方法發現產品的設計和工藝缺陷是十分有效的。以上應用都證明了HALT方法的有效性,因此,引入HALT方法來快速開展Y波導的可靠性研究。目前暫無在光纖陀螺中應用HALT方法的案例報道,本文以光纖陀螺中的Y波導器件為基點,在Y波導可靠性研究中應用HALT方法,以此來快速地提升Y波導的可靠性。

1 HALT的理論與方法

對產品施加的負載超過產品強度額定值就會導致產品故障。在進行HALT時,使用的環境應力包括:低溫、高溫、溫變速率和振動等[13],而進行HALT的常用方法是步進方法。使用步進應力可以通過逐步增大應力量值減小使用的樣本量。HALT方法的基本參數:1)上(下)工作極限,上(下)工作極限是指高(低)于該極限的應力會使產品不能正常工作的應力范圍,但是減小應力后產品可以正常工作;2)上(下)破壞極限,上(下)破壞極限是指高(低)于該極限的應力會使產品徹底失效的應力范圍,即使將應力降低也不能恢復其功能。

1.1 溫度應力

使用溫度應力進行HALT時,首先測試器件的上、下工作溫度極限與上、下破壞溫度極限,并且在試驗過程中對器件進行實時測量。在測試器件的溫度極限過程中,以10 ℃作為一個臺階[14],溫度變化速率不超過5 ℃/min,防止由于溫度快速變化對器件產生影響。當器件處在某一臺階的溫度時,器件的性能發生了退化,此時需要將溫度逐步降低一個臺階,在每個臺階的溫度環境下對器件的性能進行測量,若器件的性能可以恢復到正常范圍,則此溫度是器件的上工作溫度極限;若將溫度降至常溫環境下,器件的性能仍未恢復,則此溫度是器件的上破壞溫度極限。確定兩個極限后,需要對器件進行失效原因分析,確定薄弱環節,并對器件進行設計和工藝的改進,提升器件的可靠性。

在確定器件的上溫度極限后,下一步的工作是測試器件的下溫度極限。與測試上溫度極限過程類似,以10 ℃為一個臺階,進行實時測量,若器件在某一臺階的溫度下,器件的性能發生了退化,此時將溫度逐步升高一個臺階,在每個臺階對器件進行一次測量,若器件性能恢復,則此溫度是下工作溫度極限;若器件性能未恢復,則此溫度是下破壞溫度極限。在測試下溫度極限時,若器件處于-100 ℃環境下也沒有發生失效,此時也停止試驗,這是因為許多產品并沒有低溫破壞極限。

確定上、下破壞溫度極限之后通常進行溫變速率試驗,選定的高低溫界限在工作極限的前一個臺階。假定確定的高溫工作極限是130 ℃,低溫工作極限是-70 ℃,則溫度范圍選擇-60 ℃～120 ℃?；舨妓箤?00多種產品進行了溫度變化速率的試驗,發現這些產品對溫度變化速率并不敏感[15],因此在首次試驗時采用最大的溫變速率,如果有故障發生,再使用步進的方法確定產品對溫變速率的敏感性。

1.2 振動應力

振動試驗也需要確定工作極限和破壞極限。確定工作極限的目的是在后續的篩選過程中確定振動應力量值。使用的振動臺最好是全自由度的振動臺,即3個軸向和繞3個軸向的旋轉方向。探索振動量值工作極限和破壞極限也使用步進應力進行測試。從5GRMS的隨機振動開始,每次增加5GRMS,溫度條件為常溫,在每個振動量值上保持10 min。同時記錄振動的工作上限和破壞上限。如果達到20GRMS及以上時,逐步將振動量值降低到2GRMS,低量值的振動是為了找到在高振動量值不能發現的異常現象,已經證明這種低量值、全軸向的振動可以發現那些在高振動量值發現不了的缺陷。

1.3 綜合應力

綜合應力是將兩種或多種應力結合起來,共同施加,一般選擇快速溫度轉換與步進振動相結合的方式。邁克萊恩(Harry W. McLean)[16]收集了采用上述5種方式進行HALT的47種產品試驗數據,測試出來的缺陷占總缺陷的比例如圖1所示。在經歷了全部的HALT之后,要進行HALT驗證,驗證的目的是為了確保已經采取的措施糾正了原先的缺陷。

圖1 不同環境下HALT缺陷

2 Y波導的HALT方法及試驗結果

2.1 高溫試驗

根據GJB179A《計數抽樣檢驗程序及表》在加速壽命試驗樣本為25,摸底邊界條件在一般檢驗水平為Ⅱ時,即總樣本數量為25,抽取5個樣本作為摸底數量,當可接受質量水平為97.5%時,其中一個樣品失效即代表此批次失效。首先測量了第一組5支Y波導常溫下的相關參數,然后按照1.1節描述的過程進行試驗,結合Y波導的實際應用環境,在確定高溫工作極限和破壞極限時,以80 ℃作為起始溫度,升溫速率不超過5 ℃/min。在溫度升到80 ℃時,恒溫保持1 h,然后降溫,同樣溫度變化速率不超過5 ℃/min,當恢復到25 ℃時,對Y波導進行性能測試,從降至25 ℃到完成測試過程的時間不超過0.5 h,以防應力作用被釋放。完成測試后,將溫度升溫至90 ℃,恒溫保持1 h,然后降溫,對Y波導進行性能測試,直至確定Y波導的工作極限和破壞極限。整個溫度變化過程中,用4只18B20測溫芯片進行溫度的監控,保證試驗溫度的準確性。實際的試驗溫度如圖2所示。

圖2 高溫試驗溫度圖

根據此Y波導廠家的出廠條件,規定試驗截止條件:插入損耗(insertion loss, IL)變化量大于0.5 dB,分束比變化量大于3%,尾纖偏振串音大于-27 dB,半波電壓變化量大于5%。達到上述截止條件的任意一條,試驗終止,表1為試驗過程中Y波導的部分性能參數。

表1 高溫條件下Y波導的部分性能參數

在整個試驗數據中,提取5支Y波導部分參數的最大值、平均值、最小值,從表中可以看到有2支波導的插入損耗變化量超過了0.5 dB,達到了規定的截止條件,半波電壓降低了0.03～0.05 V之間,尾纖偏振串音有不同程度的增大,分束比也有增大的趨勢。試驗結果表明,150 ℃為高溫破壞極限[17],130 ℃為高溫工作極限。

注:所有的性能指標均在常溫下測試。

2.2 高濕試驗

選用第二組5支Y波導進行濕度的測試。首先測量常溫時的性能參數,將波導放入濕度箱中,同時搭建好測試光路,設置試驗條件為25 ℃,RH 95%,試驗時間為24 h,保證Y波導處于濕潤狀態下進行性能測試。表2為高濕測試前后的性能參數對比。

表2 高濕條件下Y波導的部分性能參數

試驗結果表明,在常溫、RH95%的條件下,Y波導放置24 h后的參數變化并不大,沒有達到規定的試驗截止條件。由此判定,單獨的濕度條件對Y波導的性能影響很小,因此,單獨的高濕條件不能作為影響Y波導的主要環境因素。

2.3 溫度快速變化

選用第三組5支Y波導進行快速變溫試驗,采用的溫箱為雙箱溫箱,將高溫箱升到110 ℃,低溫箱降至-40 ℃,待2個溫箱的溫度都達到設定值時,打開隔板,低溫箱中-40 ℃的冷空氣進入到110 ℃的高溫箱中,使其中的器件經歷溫度快速變化,溫度變化速率可達30 ℃/min,重復4個循環,測試試驗前后的性能參數,表3為試驗數據。

表3 溫度快速變化下Y波導的部分性能參數

試驗結果表明,溫度快速變化(30 ℃/min)條件下的Y波導參數變化很小,幾乎沒有影響,因此判定溫度快速變化不是影響Y波導性能的主要環境因素。

2.4 高溫下的HALT

根據上述3種環境應力對Y波導性能影響的結果,選用高溫作為加速應力。將同一批次的200支波導分成25組,每組8支并編號,從每組抽選第3支作為樣本,總計選取25支Y波導作為試驗樣本。由于高溫主要影響Y波導性能參數中的分束比和插入損耗,因此將這2個參數作為失效判據,每8 h 對Y波導進行測試,試驗共持續1 400 h,試驗溫度恒定在120 ℃,參考IEC 62005-2《光纖互聯器件以及無源器件可靠性—第2部分:基于加速老化試驗—溫度和濕度試驗可靠性的定量評估;穩態》,將失效判據改為插入損耗變化量大于1 dB,分束比變化量大于3%。圖3(a)和(b)是1～8號Y波導插入損耗變化量和分束比變化圖,圖4(a)和(b)是9～17號Y波導插入損耗變化量和分束比變化圖,圖5(a)和(b)是18～25號Y波導插入損耗變化量和分束比變化圖。圖6是失效數量隨著時間增長的趨勢。

(a)

(a)

(a)

圖6 波導失效數量隨時間變化

試驗數據顯示,Y波導的插入損耗變化呈現線性變化趨勢,有5支Y波導會有小段時間損耗值異常,后又恢復至線性區附近,所有Y波導的插入損耗變化值不超過3.5 dB;大部分的Y波導分束比的變化屬于線性變化,有6支Y波導的分束比變化巨大,沒有規律可循。

圖6的試驗數據顯示,40 h前屬于Y波導的早期失效階段,40～1 120 h屬于Y波導的本征失效階段,1 120 h后屬于Y波導的壽命尾期,符合浴盆曲線的特征。

2.5 浴盆曲線繪制及壽命預計

無論是電子器件還是機械器件,它們的失效率曲線一般都是“浴盆”形狀[18]。這種失效率曲線被稱為可靠性浴盆曲線。浴盆曲線有3個時間段,首先是在器件的早期使用階段,失效率相對較高,這個時間段被稱為早期失效階段,對應的失效率為早期失效率(early failure rate,EFR);其次,在早期失效階段后會出現一個失效率極低且穩定的時期,稱為本征失效階段,對應的失效率被稱為本征失效率(intrinsic failure rate,IFR);最后,在本征失效階段后會出現一個失效率急速上升的時期,稱為耗盡(wear-out)階段。器件的失效率一般為威布爾(Weibull)失效率[18],由此,可使用威布爾失效率進行浴盆曲線的繪制。威布爾失效率為

(1)

式中,λ(t)為失效率;β為形狀參數;t63為特征失效時間;t為時間。

Y波導的3個失效階段的數據在表4～表6列出。表4為Y波導早期失效的數據,早期的樣本數量為25。表5為Y波導本征失效期的數據,本征失效期的樣本數量為10,除去早期失效的15支波導。表6為波導耗盡期失效的數據,耗盡期的樣本數量為5,除去早期失效的15支與本征失效期的5支波導。

表4 Y波導早期失效數據

表5 Y波導本征失效期數據

表6 Y波導耗盡期失效數據

以失效時間為自變量,威比特(welbits)為因變量,使用最小二乘法擬合,得到的2個參數a和b,可構成y=alnt+b的等式,其中a即為形狀參數β,令等式中的y=0,即得到特征失效時間t63。將得到的β和t63代入式(1)中,即可得到對應的失效率函數,繪制出相應的失效率曲線,整體的失效率為3個時期失效率的代數和。早期失效率曲線、本征失效率曲線和耗盡失效率曲線如圖7(a)、(b)、(c)所示,可靠性浴盆曲線如圖8所示。

(a)

對Y波導的壽命估計采用阿倫紐斯(Arrhenius)模型,此模型是最典型、應用最廣的加速模型[19],Arrhenius壽命計算模型見式(2)

(2)

式中:AF為加速因子;Ea為活化能;k為波爾茲曼常數,數值約為8.617×10-5eV/ ℃;T1為Y波導工作時的溫度,單位為開爾文(K);T2為波導施加的加速溫度,單位為開爾文(K)。BellCore GR-468-Core《Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment》給出了Ea的推薦值為0.7 eV,根據式(2)可計算出120 ℃的加速因子約為726。由此可以推斷25 ℃的壽命約為93年。

3 結論

針對高可靠長壽命的Y波導器件,采用HALT方法能有效地對其進行可靠性評估和壽命估計,主要結論如下。

1)探究3種環境因素(高溫、高濕和溫度快速變化)對Y波導性能的影響,測試的性能參數包含:插入損耗、分束比、尾纖偏振串音以及半波電壓。試驗結果顯示,溫度快速變化(30 ℃/min)和高濕條件(95%RH,24 h)對Y波導參數的影響并不明顯,而高溫(120 ℃以上)對Y波導性能影響非常明顯,因此確定高溫(120 ℃)條件作為加速條件,影響的主要參數是插入損耗以及分束比。

2)與加速壽命試驗相比,HALT極大地縮短了測試時間,在120 ℃的溫度下進行了不到2個月的時間即完成了對Y波導器件的壽命試驗,并根據推薦的活化能值,采用Arrhenius模型估算出Y波導器件在25 ℃的條件下壽命為93年。

3)BellCore GR-468-Core只給出了活化能的推薦值,并沒有給出推薦值是0.7 eV的具體原因,后續的工作將嘗試對活化能的數值進行試驗與估計。