激光器芯片壽命可靠性測試問題

? ? ? 激光芯片的可靠性是一項十分關鍵的指標，無論是小功率的激光筆還是要求較高的激光通信芯片，都需要進行芯片的老化和可靠性的測試。 ?
? ? ? 相比于傳統的電子類的芯片，激光的測試比較復雜，牽涉到光、電的測量，也要考慮封裝形式的區別。老化試驗是作為芯片的一個檢測手段，在研發初期，也可以通過芯片老化試驗，得到很多芯片質量信息，可以查找早期的一些工藝問題等。
我們知道激光芯片的測量一般都是看LIV數據，如下圖：

? ? ? ? 激光的光電參數受熱的影響較大。

? ? ? ? 如上圖，隨著溫度的升高，芯片的閾值電流增加。

? ? ? ? 通常晶圓在完工之后，要先進行晶圓級的檢查，這時候，因為無法測試到側邊的發光，因此一般不做通電檢查，也就檢查一下外觀和一些芯片的關鍵尺寸。
? ? ? ? 第二步分裂成bar條之后，可以初步測試出光情況，因為沒有特定的出光面和反光面，因此也不是完全正確的激光模式，發光功率可以簡單的認為兩端一樣高。
? ? ? ? 第三步做AR面和HR面鍍膜，然后進行Bar條測試，測試后可分成單獨的芯片顆粒。做老化，要等到芯片封裝完成器件之后，如To9封裝，才能進行。芯片的壽命可以用Arrhenius公式：阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation ）是化學術語，是瑞典的阿倫尼烏斯所創立的化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式。

挪用到激光芯片上就是：

? ? ? ? 如上圖同是Ea＝0．7eV的激光器，在室溫20℃下的壽命是10萬小時，但是在70℃下只有2300小時。封裝好的芯片壽命測試一般要進行1000小時的老化，甚至更長。在通信產業有專門針對激光器測試的Telcordia測試標準。加速老化是快速測試的一種手段，通過高溫、大注入電流、或者更高的出光功率。高溫是常用的一個方向。
? ? ? ? 老化常用的三種測試模式：
1）定電流模式，在老化過程中，提供一種ACC（automatic current control）模式，也就是定電流。
2）定功率模式，也叫APC（automatic power control），出射光的光功率保持在一個常量（通過調節電流供給）。功率模式在老化測試中比較常用，因為比較接近實際應用的場景。
3）定期的測試，把laser放入一個100℃的環境內，定期拿出來量一量。
? ? ? ? 激光器在實際的老化工程中，如果采用周期式的測試，也會存在很多外界影響因素，主要是溫度不穩定，設備測量和控制不穩定，設備的可靠性和電源失效。溫度控制難的一個原因是激光器的自發熱，即使緊緊夾雜裸露的鋁散熱器上的To－can封裝，激光器同樣也有5～10C／W的熱阻。如果激光器在100mA和1．8V的條件下工作，在激光器內部和散熱片可能有1．5℃的溫差。
? ? ? ? 另外激光器在給定的電流下對溫度很敏感，哪怕散熱片只有0．1℃的波動就會造成輸出光功率的噪聲。而且外部用于測量的光敏二極管，也會受到溫度的影響，進而得到不同的光功率數據，因此也需要對其溫度進行控制。
? ? ? ? 激光器壽命周期研究要求在數千小時對激光器工作參數甚至百分之幾的變化進行精確測量。因此在1000小時內測試設備的穩定性必須達到0．1％。

? ? ? ? 上圖是16個DFB激光器在APC模式下75℃時1000小時的測試結果。
? ? ? ?通常在測試開始前幾百小時老化速度最快，后來是一個穩定的線性老化特性，每一個激光器的使用壽命在線性區都是一條直線。所以可以推斷出預定義電流下的使用壽命。如以電流變化20％作為使用壽命的盡頭。在75℃時使用壽命估計從360小時到16450小時，這些數據通過Weibull可能性分布，得到平局使用壽命為2200小時。上圖在930小時有個直線下落，是老化系統突然斷電導致，后續上電之后，圖形還能繼續走，說明老化是可以中斷的，但是盡量不要插拔，laser2在500～800小時的時候可以觀測到不穩定的讀數，這個在老化測試中也是常見的現象，和測試硬件和手法都有關系，也不用太在意，可能旁邊震動一下就會跳。
老化是激光器產品篩選的一道重要工序，篩選出那些壽命可能較短的產品，使剩下的大量的激光器都具有滿意的可接受的可靠性。因為老化對生產成本和時間有影響，一般老化時間小于100小時。