技術干貨| 淺談通信設備用光電子器件可靠性測試標準GR-468（上）
gr-468標準簡介
今天簡單聊一聊通信應用中光電子器件的可靠性測試。主要參考的是telcordia發布的《generic reliability assurance requirements for optoelectronic devices used in telecommunications equipment, gr-468-core-issue 2, 2004》。中國在2007年也發布了國標gb/t 21194-2007：《通信設備用的光電子器件的可靠性通用要求》，主要也是參考gr-468制定的。gr-468針對的是電信級應用的長壽命光電子器件。涉及激光器、發光二極管led、探測器、eml電吸收調制器及其他外調制器等。該標準是為這些器件能夠有20年以上的預期壽命所進行的可靠性要求。
gr-468中提到了六個可靠性保證程序的組成要素，圖1分別對這六個項目所涉及到的主要內容進行了說明。除可靠性驗證外，其他五項旨在通過全面的可靠性保證計劃來控制產品在生產過程中的可靠性，主要包括供應商審核、逐批的質量和可靠性控制、反饋和糾正措施、存儲和處理程序以及過程中文檔庫的整理。
圖1 可靠性認證的六個基本項目
在光電子器件中，即使最初測試合格客戶/供應商已確認，也需要定時進行重新確認?？蛻糁辽倜績赡赀M行一次復核，對可靠性數據進行重點審查，確保供應商的運營處于質量可控之下?？蛻魬獙γ總€批次都做測試和分析，并檢查和糾正生產過程或現場應用報告中的任何問題，及時反饋給供應商。供應商的認證測試結果，需清楚記錄，并保存五年以上。
這主要是在器件制造、組裝以及測試篩選過程中，微小差異都可能導致對可靠性產生巨大影響，光電子器件不能像其他元器件，通過“相似”、“類似”或者“產品系列”來做通用性鑒定。比如光模塊采用同樣的激光器，同樣的生產線，僅僅是耦合后的實際功率有差異，也需要重新認證，分析其失效和劣化原因。
采購方需要對光電器件的存放十分小心，避免潮濕/過熱的環境，嚴格遵守防靜電流程。
標準中的器件分級 由于可靠性測試項目與器件類型、器件應用場景關系很大，因此有必要對器件和應用場景進行分類。gr-468中按封裝層次對產品進行分級（主要針對有源器件）：
1. wafer level: 晶圓級，芯片還未解理的狀態。gr-468不包括晶圓級的可靠性認證和測試定義。
2. diode level：芯片級，gr-468很多定義是和芯片強相關的，但是這些芯片必須得放在一個載體上才能工作測試。因此芯片級還需要在子組件基本進行測試和認證。
3. submodule level：光組件級，芯片被初步組裝，但還不具備完整的光/電接口，比如tocan或coc。
4. module level：光器件級，芯片擁有了完整的光電接口，可以進行一系列指標測試，比如tosa、rosa、box等。
5. integrated module：光模塊級，通信等應用中的最終產品形態。
圖2 按照封裝層次可以將有源器件分為5個層級
不同應用環境分類 針對不同的應用場景，主要分為受控環境（co）和非受控環境（unc）。由于光電子器件對溫度環境敏感，因此在不同環境下對光模塊的操作溫度、范圍以及可靠性要求不一樣：
1. co環境，長期溫度限制在5~40°c，短期內-5~50℃，光器件的工作溫度需要延伸20°c。因此器件的工作范圍處于-5~70℃。
2. unc環境，室外溫度氣溫在-40℃~+46℃，通信設備周圍空氣溫度可達65℃，光器件工作溫度需延伸20℃，因此器件的工作范圍處于-40℃~85℃。
光器件中失效率 同其他類型器件相似，光器件的故障率也可以用fit來表示，failure in time。1 fit的定義為運行10億小時出現一個故障。光電子器件的故障率在不同的時間的變化也符合浴盆曲線。根據浴盆曲線，光電子器件的失效主要分為3個階段：
1) 早期失效。這一階段問題較多，暴露較快，當這些問題逐漸得到處理后，故障率由高到低發生變化，隨時間增加趨于穩定。對于早期失效期，需要經過早期篩查檢測，盡快去除影響；
2) 隨機故障。設備處于正常運轉狀態，故障率較低且穩定，甚至基本保持不變，這段時間稱為設備作業的最佳時期，也是設備的有效壽命期。光電子行業相比于集成電路，隨機故障率高，光模塊的熱插拔封裝來由，其中一個因素是能快速維修和更換，盡量降低失效對整體系統性能的影響；
3) 磨損故障。這個時期設備故障率急劇升高，主要是由于設備經過較長時間的運轉使用，某些零件的磨損進入劇烈磨損階段，有效使用壽命結束，設備已處于不正常狀態。
圖3 失效率浴盆曲線
（來源：sangdeok kim kl, semin cho. the lifetime of a human and semiconductor: eetimes; 2021）
一般電信級應用要求光器件的工作壽命是20年，二十年累積失效率小于100 fits。在實際試驗中通常采用加速老化試驗的方法，通過提高應力，用數千小時的試驗結果來推算器件的工作壽命，然后選擇恰當的概率分布去計算器件的失效率。加速壽命試驗的理論基礎是arrhenius 方程:
其中β為調整系數，ea為活化能，kb 為玻爾茲曼常數 ，ti為工作溫度。arrhenius方程是化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式，適用于單一因素影響下的老化過程。通過對比正常工作溫度t0與高加速溫度ti，可以估算出其加速系數τ：
針對激活能的計算方法以及常見器件的激活能數值可靠性知識gr-468均有說明，下表是標準中給出的不同器件在不同失效期時的參考活化能ea。需要注意的是，ea取值的不同將很大程度上影響到加速系數和最終的老化時間，在條件允許的情況下，產品應該盡量通過不同溫度下的加速老化實驗確定準確的活化能。
表1 gr-468中給出不同器件的參考激活能
（來源：telcordia: generic reliability assurance requirements for optoelectronic devices used in telecommunications equipment, gr-468 issue number 02 (2004)）
廣電計量光電子器件驗證服務 廣電計量是國內s家完成激光發射器、探測器全套aec-q102車規認證的第三方檢測機構，具備apd、vcsel、pld等批次性驗證試驗能力。在此基礎上，廣電計量現已全面開展通信用光電子器件的可靠性測試認證服務，在人才隊伍上，形成以博士、專家為核心的光電器件測試分析團隊，具備國內專業的光電子器件測試標準解讀能力和試驗能力，能夠提供一站式光電子器件測試方案。
關鍵詞：芯片
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gr-468中提到了六個可靠性保證程序的組成要素，圖1分別對這六個項目所涉及到的主要內容進行了說明。除可靠性驗證外，其他五項旨在通過全面的可靠性保證計劃來控制產品在生產過程中的可靠性，主要包括供應商審核、逐批的質量和可靠性控制、反饋和糾正措施、存儲和處理程序以及過程中文檔庫的整理。
圖1 可靠性認證的六個基本項目
在光電子器件中，即使最初測試合格客戶/供應商已確認，也需要定時進行重新確認?？蛻糁辽倜績赡赀M行一次復核，對可靠性數據進行重點審查，確保供應商的運營處于質量可控之下?？蛻魬獙γ總€批次都做測試和分析，并檢查和糾正生產過程或現場應用報告中的任何問題，及時反饋給供應商。供應商的認證測試結果，需清楚記錄，并保存五年以上。
這主要是在器件制造、組裝以及測試篩選過程中，微小差異都可能導致對可靠性產生巨大影響，光電子器件不能像其他元器件，通過“相似”、“類似”或者“產品系列”來做通用性鑒定。比如光模塊采用同樣的激光器，同樣的生產線，僅僅是耦合后的實際功率有差異，也需要重新認證，分析其失效和劣化原因。
采購方需要對光電器件的存放十分小心，避免潮濕/過熱的環境，嚴格遵守防靜電流程。
標準中的器件分級 由于可靠性測試項目與器件類型、器件應用場景關系很大，因此有必要對器件和應用場景進行分類。gr-468中按封裝層次對產品進行分級（主要針對有源器件）：
1. wafer level: 晶圓級，芯片還未解理的狀態。gr-468不包括晶圓級的可靠性認證和測試定義。
2. diode level：芯片級，gr-468很多定義是和芯片強相關的，但是這些芯片必須得放在一個載體上才能工作測試。因此芯片級還需要在子組件基本進行測試和認證。
3. submodule level：光組件級，芯片被初步組裝，但還不具備完整的光/電接口，比如tocan或coc。
4. module level：光器件級，芯片擁有了完整的光電接口，可以進行一系列指標測試，比如tosa、rosa、box等。
5. integrated module：光模塊級，通信等應用中的最終產品形態。
圖2 按照封裝層次可以將有源器件分為5個層級
不同應用環境分類 針對不同的應用場景，主要分為受控環境（co）和非受控環境（unc）。由于光電子器件對溫度環境敏感，因此在不同環境下對光模塊的操作溫度、范圍以及可靠性要求不一樣：
1. co環境，長期溫度限制在5~40°c，短期內-5~50℃，光器件的工作溫度需要延伸20°c。因此器件的工作范圍處于-5~70℃。
2. unc環境，室外溫度氣溫在-40℃~+46℃，通信設備周圍空氣溫度可達65℃，光器件工作溫度需延伸20℃，因此器件的工作范圍處于-40℃~85℃。
光器件中失效率 同其他類型器件相似，光器件的故障率也可以用fit來表示，failure in time。1 fit的定義為運行10億小時出現一個故障。光電子器件的故障率在不同的時間的變化也符合浴盆曲線。根據浴盆曲線，光電子器件的失效主要分為3個階段：
1) 早期失效。這一階段問題較多，暴露較快，當這些問題逐漸得到處理后，故障率由高到低發生變化，隨時間增加趨于穩定。對于早期失效期，需要經過早期篩查檢測，盡快去除影響；
2) 隨機故障。設備處于正常運轉狀態，故障率較低且穩定，甚至基本保持不變，這段時間稱為設備作業的最佳時期，也是設備的有效壽命期。光電子行業相比于集成電路，隨機故障率高，光模塊的熱插拔封裝來由，其中一個因素是能快速維修和更換，盡量降低失效對整體系統性能的影響；
3) 磨損故障。這個時期設備故障率急劇升高，主要是由于設備經過較長時間的運轉使用，某些零件的磨損進入劇烈磨損階段，有效使用壽命結束，設備已處于不正常狀態。
圖3 失效率浴盆曲線
（來源：sangdeok kim kl, semin cho. the lifetime of a human and semiconductor: eetimes; 2021）
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其中β為調整系數，ea為活化能，kb 為玻爾茲曼常數 ，ti為工作溫度。arrhenius方程是化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式，適用于單一因素影響下的老化過程。通過對比正常工作溫度t0與高加速溫度ti，可以估算出其加速系數τ：
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表1 gr-468中給出不同器件的參考激活能
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