半导体激光器(15501310)高低温循环寿命研究

1、 半导体激光器（1550/1310）高低温循环寿命研究苏美开（济南福来斯光电技术室，flsoe）摘要：研究了通信用的1310nm半导体激光二极管（LD）组件的使用寿命。通过实验，模拟不同环境条件下，对其进行了高低温循环寿命的实验研究，建立了循环寿命的数学模型。结果表明：循环寿命与循环的温差、循环的速度成指数关系，通过测试器件在高温差、高循环速度条件下的循环寿命，外推器件正常工作条件下的循环寿命。从而得到器件可靠性数据，为工艺设计人员提出量化数据。关键词：半导体激光器组件，高低温循环寿命，寿命数学模型ResearchonHigh-lowTemperatureCycleLifetimeof1310

2、nmLDsModulesAbstract:AmathematicalmodelofthecyclelifetimeofLaserDiode（LD）hasbeenestablished.Studiedonhigh-lowtemperaturecyclelifetimeof1310nmLDmodulesbyexperimentunderdifferentsimulationenvironmentalconditions.Theresultshowsthatcyclelifetimehasindexrelationtothetemperaturedifferenceofcycleandcyclesp

3、eed.BytestingthecyclelifetimeofLDsunderthehightemperaturedifferenceandhighcyclerateconditions,thecyclelifetimeofLDsundertheordinaryworkingconditionscanbeestimated.Keywords:SemiconductorLaserModule,High-lowTemperatureCycleLifetime,MathematicalModelofLifetime引言1310nm是光纤通信常用的工作波长，单模光纤在该处的能量损耗只有0.40dB。因

4、此1310nmLD组件成为光通信的核心器件。然而光纤链路必须经受苛刻的环境条件，根据国际通信行业BELLCORE标准，用在非控环境（UNC）的器件需要做高温加速寿命测试和-40C85C的高低温循环寿命测试，对于高温加速寿命试验的方法和经验模型已有许多文献描述2-5，并得到了器件的高温筛选方法和寿命模型。对高低温循环的详实实验方法及经验模型却未见报导。由于材料热膨胀系数的不同，高低温循环主要作用对接合点、粘接料、界面和透镜固定等的考验。为了预测1310nmLD组件的工作可靠性，考察其高低温循环寿命，通过实验研究了40只器件随循环次数输出功率的变化情况，据此给出了高低温循环筛选试验的最佳循环次数。

5、得到了高低温循环的寿命模型。利用该模型可以计算出不同热应力下、不同循环次数和不同循环速度对器件的影响。实验测试2.1样品准备如图1,选用同一批次、刚刚生产的、未经高低温筛选的、封装形式为TO5.6的1310nmLD组件40只，器件采用内密封金属封装，且有聚焦球透镜。如图1所示。LD有源区向上被易熔焊料Au/Sn焊在硅热沉上，热沉用软焊料Pb/Sn焊在被镀金的圆形铜座上,球透镜被固定在LD的前镜面（约100um）。测试前在室温25C下测量其恒功率输出（P=5mW）时阈值电流Ith、工作电流I、外量子效率H。thop2.2实验步骤为了考察不同温度范围、不同循环速度对器件寿命的影响，将40只器件分成

6、四组固定在四个相同型号的高低温循环箱，循环箱温度设定精度为lc。循环时器件不加电，实验过程中最后和中间按照计划进度测试几个点，如表1所示。应该注意的是，中间测试过程中，器件的温度应先降至（或升至）室温25c再测试，且中间停留时间尽可能短。表1.温度测试循环实验次序样品第一组第二组第三组第四组温度范围-20/+60C-20/+60C-40/+85C-40/+85C循环速度（平均）10C/min2C/min10C/min2C/min器件数量10101010测试间隔（100次）0.5；1；2；3；0.5；1；2；3；4；0.5；1；2；0.5；1；2；3；2.3测试结果图3各种情况下失效率与循环次数

7、的关系图2a.第一组器件按照设定条件热循时外效率的退化图2b.第三组器件按照设定条件热循时外效率的退化因为LD组件是安装在复杂的通信系统中，因此能容忍电光参数漂移比通常要求苛刻，因此一旦其电光参数原始值退化10%（-0.5dB）,就认为是失效。在所监控的参数中外量子效率n（输出功率斜效率）受热循环影响最大。n有下面方程定义：n=p/（i-ith），其中ith是阈值电流，iopththop是驱动电流，P是监控二极管有恒定参考电流（如200uA）时对应输出的辐射功率。图2a、图2b分别描出了第一组器件和第三组器件外量子效率n变化曲线，这里以ioiog10（n/n0）将n的相对变化以dB表示。图2可

8、以看出，第一组器件经过200-300个循环后，有四只器件明显退化，第三组器件经过100-150个循环后，有三只器件明显退化。它们的外效率都是单调递减的。2.4寿命模型假设失效标准An=10%，记录下循环次数对应的失效器件数目。累计失效分布如图3所示，满足威布尔分布。下面我们对测试结果分析，从而建立一个数学模型。先看看四种情况的中值寿命如表2所示。测试条件中值寿命相对加速系数-20/+60C,10C/min500cycs3-20/+60C,2C/min1500cycs1-40/+85C,10C/min350cycs4-40/+85C,2C/min1100cycs1.3表2四种情况的中值寿命从表可

9、以看出，外界环境影响器件寿命的因素有两个：一是循环温差T,另一个是循环速度O，温差越大，循环寿命越小，反之亦然。同样，循环速度越快,循环寿命越小,反之亦然。下面定量讨论它们的关系。设循环次数为N,失效率为F,则根据图3有：TOC o 1-5 h zF二kln(N)+b(1)其中k是与循环速度有关的常数，b与循环温差T有关的常数。由(1)得N=exp(F/k)exp(-b/k)(2)7E设b=T，k=ko(其中E、k为比例常数)，则(2)式可以写为：FEN=exp()exp(-)(3)kacAT其中E=E/k为常数。式是器件循环次数与失效率关系的近似表达式子。例如，确定F值(如50%)便可求得中

10、值寿命对应的循环次数。当循环速度O确定时，由(3)式可以求得循环次数与温差的关系EEN=Cexp(-t)=Cexp(-t)TATT-T21F其中Et=E/o,C=exp()。式从形式上与Arrhenius模型是一致的。Tkc当循环温差T确定时，改变循环速度，由(3)式可以求得循环次数与循环速度的关系E(5)=exp(Q)c其中，EcEAT图4是六种热循环情况(增加一个60C温差实验)中值寿命(达到50%失效)随循环温差幅度变化的半对数曲线。方点和圆点分别代表两种循环速度：O=2C/min和O=10C/min。实验值半对数曲线成线性分布，与理论模型符合较好。从图4可以求出在正常环境条件下，例如T

11、=20K，循环速度为O=2C/min,外效率标准降低0.5dB时，器件中位寿命约为3000个循环；而当T=20K,O=10C/min时，器件中位寿命约为1000个循环。备寿环循值中10000100,循环速度F2C/minkJyr循环速F度10c/min1000020406080100120140160循环温差AT(C)图4.不同温差下，器件达到50%失效中值寿命半对数曲线结论模拟了不用环境条件下对1310nmLD组件进行了高低温循环寿命的实验研究，得到了循环寿命的数学模型，结果表明：1310nm半导体激光器的寿命不仅与使用的环境温度有关，而且与使用环境的温差变化幅度、变化速度有关。循环寿命与循

12、环的温差、循环的速度成指数关系。利用这个结论，通过测试器件在高温差、高循环速度条件下的寿命，外推器件正常条件下的循环寿命，从而得到器件可靠性数据，为工艺设计人员提出量化数据。参考文献Bellcoreissue1-1998，GenericRequirmentsGR-468-CORES亢俊健，苏美开，王大成，LD老化筛选及寿命测试系统J，计算机测量与控制，2003,11(4)：250Paine,B.M.ThomasIII,S.Delaney,M.J.Low-Temperature,High-currentLifetestsonInP-BasedHBTSA.39thAnnualInternation

13、alReliabilityPhysicsSymposiumC.America:IEEE,2001:206-213NaraHwangGwan-ChongJooSang-HwanLeeetal.Structure-dependentreliabilityassessmentof1.3gmInGaAsP/InPuncooledlaserdiodesbyacceleratedagingtestA,46thElectronicComponentsandTechnologyConference.ProceedingsC.America:IEEE,1996:1308-1311Fritz,W.J.Analysisofrapiddegra