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超辐射发光二极管SLD可靠性浅谈

发布日期:2018-05-14

超辐射发光二极管SLD可靠性浅谈

 

  【摘 要】随武器装备向高可靠性发展,SLD作为光纤陀螺的关键器件得到了迅速的发展,分析了SLD产品的主要失效模式与失效机理,并在介绍了国内外SLD产品的可靠性以及当前国内进行的SLD加速试验情况后,提出了建立SLD预计模型的迫切性,最后给出了SLD可靠性预计初步模型。
中国论文网 /8/view-6889646.htm
  【关键词】SLD;失效;可靠性预计
  0 前言
  超辐射发光二极管(SLD)是一种介于激光二极管(LD)和发光二极管(LED)之间的半导体光源,受到光纤陀螺的需求驱动,SLD得到了迅速的发展并成为一种重要的光源,它满足光纤陀螺、光时域反射仪、光纤传感器等所要求的高输出功率和短的相干长度。而光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应的角速度传感器[1]。近年来,光纤陀螺以其全固态、无需转动和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻等优点,逐渐应用于导弹、装甲车、石油测井、航天器等领域。随着光纤陀螺应用领域的不断扩大,对其使用寿命、可靠性指标的获知需求日益迫切。而作为光纤陀螺中关键件超辐射发光二极管SLD的各类研究也在不断的开展。
  SLD器件采用标准的8/14pin蝶形管壳或14pin双列直插式管气密封装,器件主要由管芯、热敏电阻、热沉、半导体制冷器、尾纤、外壳等部分组成。管芯、热敏电阻键合在热沉上,热沉固定在制冷器上,制冷器固定在底座上,采用保偏光纤与超辐射发光管耦合,用于耦合的光纤伸入腔体部分。与标准14针SLD器件不同之处是在8针SLD内部没有用于光反馈控制的InGaAs-PIN组件。
  1 SLD主要失效模式与失效机理
  SLD退化失效主要是管芯与尾纤的耦合失效和管芯失效。SLD 模块中尾纤与管芯间的耦合为亚微米量级的对准,管芯与尾纤的耦合偏移将导致光源光功率逐渐减小直至失效。引起光纤与管芯耦合偏移的主要因素是外界应力。
  管芯有源区退化:主要表现在管芯部件上,管芯退化的直接原因是有源区内存在晶格缺陷以及这些晶格缺陷在持续工作过程中的逐渐扩大,这一结论已由实验所证实。例如,使用透射式扫描电子显微镜对半导体激光器逐层精细观察,发现在其退化过程中, 有源区内开始存在某些暗点(即不发光的非均匀小区),最后成为一片暗区。伴随着缺陷的形成、生长和迁移以及p-n 结的退化,注入效率将会降低。一般认为管芯有源区内缺陷的生成速度和管芯与尾纤的耦合偏移速度是决定SLD可靠性的重要因素。
  耦合失效:耦合失效部位包括管芯与尾纤的耦合处和热敏电阻。SLD 模块中尾纤与管芯间的耦合为亚微米量级的对准,管芯与尾纤的耦合偏移将导致光源光功率逐渐减小直至失效。引起光纤与管芯耦合偏移的主要因素是外界应力。热敏电阻主要是温循导致的阻值漂移、材料老化,电迁移导致电极有效面积减少,热-机械应力导致内部裂纹的蔓延与扩展等。
  焊料退化失效:对SLD来说,所用焊料主要有纯锢、纯锡、金锡易熔合金以及金锗易熔合金等。焊料是最常用的焊料,其应力较小,但老化期间易变质,从而形成一个退化源。变质造成器件热阻增加,从而使激光器性能退化。已发现使用焊料制作的激光器,在长期工作之后焊料会变质,生成的晶须或与SLD下界面发生冶金学反应,使器件的应力增加、热阻变大,从而导致器件迅速退化。In焊料变质的原因是An原子扩散进入In层并形成金属间化合物Au3In、AnIn、AuIn2。这些化合物呈峰窝状的空隙结构,有相当高的热阻。另外焊接引入的应力,管芯、焊料、热沉之间热膨胀系数匹配程度不佳等也会使器件快速退化。
  另外在使用过程中制冷器和热敏电阻的失效也会导致SLD迅速老化,作为SLD重要组件在进行模型建立时也需要将其考虑在内。
  对于SLD而言,输出光功率是其最重要的性能参数,因此,选择输出光功率作为SLD的性能退化参数,其失效判据为:在施加恒定电流(一般为100 mA)下持续通电工作,测量输出光功率的变化,当输出光功率下降到初值的50%或者70%(不同标准失效判据不一样)时即认为SLD失效。
  2 国内外SLD产品可靠性
  国内SLD生产厂家主要有武汉光迅、中国电科44所、华工正源以及中科院半导体所。其中中国电科44所的主流SLD产品有1300nm的体材料SLD和850nm的量子阱材料SLD,武汉光迅的SLD按照封装形式分主要有DF8、BF6、BF14和DIP14,按照工作波长分有1310nm和1550nm两种,光迅的产品在我国陀螺和互感器市场应用市场上占有率为85%以上,且光迅的SLD产品依据GR468标准执行,与国外接轨。
  国外SLD厂家EXALOS在技术文档中注明其SLD产品在25℃条件下工作100K小时左右后,其输出光功率才会下降到50%。其产品的执行规范也采用了GR-468,INPHENIX、Covege、Denselight、Superlum的SLD产品标称寿命也是100K小时。国外SLD产品通用的检测标准基本一致:
  3 国内SLD相关加速寿命试验
  加速寿命试验是最能够反映出SLD产品寿命的,其理论基础是Arrhenius模型,即通过提高SLD的工作温度得到在此温度下的SLD寿命,然后通过Arrhenius模型计算工作在常温下的工作寿命。
  国内某高校在SLD进行加速退化试验中,选取了8个SLD试验样品在60℃下进行退化试验,试验共进行了2000h[2]。再分析其退化数据后得到在60℃下,SLD的评价寿命为13195h。利用Arrhenius模型作为SLD温度应力加速方程,SLD激活能取中文献《1300nm超幅射发光二级管寿命测试》中的0.82eV,则可计算出60℃温度应力相对于25℃温度应力的加速系数为28.58,由此得SLD在25℃下的平均寿命为377113h。与当前国外SLD 100K小时的寿命基本一致。   某研究院对其自主研发的SLD进行加速寿命试验,该实验随机抽取5只SLD管芯,分别在373K和385K的条件下降其放进恒温箱内进行高温、恒流加速老化试验[3]。工作电流控制在100mA。每隔一定的时间对5只管芯的特性参数进行测试。通过功率老化曲线拟合出各SLD的激活能,采用其平均值0.82eV计算后,计算出5只SLD管芯的平均寿命达到了3*106h,即SLD管芯在驱动电流为100mA,室温298K的工作条件下可正常工作百万小时以上。
  武汉光迅分别对管芯和SLD组件进行加速寿命试验,试验结果表明管芯在85℃,150mA条件下连续工作5000小时功率无明显变化,其中激活能为0.65eV。组件在65℃、100mA条件下连续工作7900小时功率无明显变化。后续试验结果表明其SLD产品寿命也在百万小时级别。
  4 SLD可靠性预计模型
  目前国内尚没有针对国产SLD模块的可靠性预计模型,如果直接套用激光器LD预计模型,其预计结果与SLD真实水平存在偏差,考虑到SLD的真实可靠性水平对装备的巨大影响,SLD的可靠性预计模型必须有效的反映出其真实的可靠性水平。且SLD作为一个组件级别的元器件,其内部包括热敏电阻、制冷器、耦合焊点、管芯。而现有的LD可靠性预计模型将器件作为整体,给出了一个基本失效率,这样无法反映出不同型号的热敏电阻和制冷器、管芯对SLD产品预计可靠性的影响。
  通过对国内SLD生产厂家的调研,收集了大量的SLD生产检查、可靠性试验以及失效归零数据,建立了初步的SLD可靠性预计模型,然后针对典型诱发因素以及模型系统系数确定的需求,开展针对性的可靠性试验。进行系统的数据分析、处理和提取后获得了预计模型中的模型系数,最后通过工程验证对模型进行修正。得到最终的SLD预计模型可表征如下:
  ?姿p=?姿管芯+?姿耦合+?姿TEC+2?姿R
  其中?姿管芯为管芯的失效率,等于管芯基本失效率?姿01×温度系数?仔T1。?姿耦合表示光纤焊点耦合失效率,主要与焊点工艺相关。?姿TEC为制冷器的失效率,国内SLD中使用的制冷器一般为进口,基本失效率在4.9Fit左右。单个热敏电阻的失效率?姿R等于基本失效率?姿02×温度系数?仔T2。
  5 结论及展望
  随武器装备向高可靠性发展,作为装备基础组成元素,电子元器件的可靠性定量表征技术已经成为装备可靠性保障的重要手段,因此电子元器件可靠性预计工作在军事领域得到了广泛开展。超辐射发光二极管(SLD)作为一种新型、关键电子元器件,其可靠性水平对装备的安全使用具有重要影响,受制于国内技术水平,当前SLD器件的可靠性在武器装备中相对薄弱,因此对其开展可靠性研究工作十分必要。且目前国内外的可靠性预计手册中都未建立SLD的可靠性预计模型,无法准确的预计出SLD器件的寿命。因此,为实现国产军用SLD可靠性指标的定量表征,建立通用、有效的可靠性预计模型并纳入GJB 299―电子设备可靠性预计手册是一项关键而紧迫的工作。
  【参考文献】
  [1]谭显裕.光纤陀螺的关键技术及其军用研究[J].航空兵器,2003,2.
  [2]Daihong Chao, Jing Ma.Research on the Reliability of SLD throughAccelerated Life Testing[J].IEEE.2009.
  [3]孙孟翔,谭满清,王鲁丰.1300nm超辐射发光二极管寿命测试[J].光学学报,2008,10(28).
  [责任编辑:邓丽丽]