激光器芯片的寿命可靠性测试

      激光芯片的可靠性是一项十分关键的指标，无论是小功率的激光笔还是要求较高的激光通信芯片，都需要进行芯片的老化和可靠性的测试。  

     相比于传统的电子类的芯片，激光的测试比较复杂，牵涉到光、电的测量，也要考虑封装形式的区别。老化试验是作为芯片的一个检测手段，在研发初期，也可以通过芯片老化试验，得到很多芯片质量信息，可以查找早期的一些工艺问题等。

    我们知道激光芯片的测量一般都是看LIV数据，如下图：

激光的光电参数受热的影响较大。

如上图，随着温度的升高，芯片的阈值电流增加。

      通常晶圆在完工之后，要先进行晶圆级的检查，这时候，因为无法测试到侧边的发光，因此一般不做通电检查，也就检查一下外观和一些芯片的关键尺寸。

     第二步分裂成bar条之后，可以初步测试出光情况，因为没有特定的出光面和反光面，因此也不是完全正确的激光模式，发光功率可以简单的认为两端一样高。

      第三步做AR面和HR面镀膜，然后进行Bar条测试，测试后可分成单独的芯片颗粒。

        做老化，要等到芯片封装完成器件之后，如To9封装，才能进行。

 芯片的寿命可以用Arrhenius公式：阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation ）是化学术语，是瑞典的阿伦尼乌斯所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式。

挪用到激光芯片上就是：

如上图同是Ea=0.7eV的激光器，在室温20℃下的寿命是10万小时，但是在70℃下只有2300小时。

  封装好的芯片寿命测试一般要进行1000小时的老化，甚至更长。在通信产业有专门针对激光器测试的Telcordia测试标准。

   加速老化是快速测试的一种手段，通过高温、大注入电流、或者更高的出光功率。高温是常用的一个方向。

    老化常用的三种测试模式：

1）定电流模式模式，在老化过程中，提供一种ACC（automatic current control)模式，也就是定电流。

2）定功率模式，也叫APC（automatic power control)，出射光的光功率保持在一个常量（通过调节电流供给）。功率模式在老化测试中比较常用，因为比较接近实际应用的场景。

3）定期的测试。把laser放入一个100℃的环境内，定期拿出来量一量。

        激光器在实际的老化工程中，如果采用周期式的测试，也会存在很多外界影响因素，主要是温度不稳定，设备测量和控制不稳定，设备的可靠性和电源失效。温度控制难的一个原因是激光器的自发热，即使紧紧夹杂裸露的铝散热器上的To-can封装，激光器同样也有5~10C/W的热阻。如果激光器在100mA和1.8V的条件下工作，在激光器内部和散热片可能有1.5℃的温差。

    另外激光器在给定的电流下对温度很敏感，哪怕散热片只有0.1℃的波动就会造成输出光功率的噪声。而且外部用于测量的光敏二极管，也会受到温度的影响，进而得到不同的光功率数据，因此也需要对其温度进行控制。

    激光器寿命周期研究要求在数千小时对激光器工作参数甚至百分之几的变化进行精确测量。因此在1000小时内测试设备的稳定性必须达到0.1%。

上图是16个DFB激光器在APC模式下75℃时1000小时的测试结果。

通常在测试开始前几百小时老化速度最快，后来是一个稳定的线性老化特性，每一个激光器的使用寿命在线性区都是一条直线。所以可以推断出预定义电流下的使用寿命。

  如以电流变化20%作为使用寿命的尽头。在75℃时使用寿命估计从360小时到16450小时，这些数据通过Weibull可能性分布，得到平局使用寿命为2200小时。

    上图在930小时有个直线下落，是老化系统突然断电导致，后续上电之后，图形还能继续走，说明老化是可以中断的，但是尽量不要插拔，laser2在500~800小时的时候可以观测到不稳定的读数，这个在老化测试中也是常见的现象，和测试硬件和手法都有关系，也不用太在意，可能旁边震动一下就会跳。

   老化是激光器产品筛选的一道重要工序，筛选出那些寿命可能较短的产品，使剩下的大量的激光器都具有满意的可接受的可靠性。因为老化对生产成本和时间有影响，一般老化时间小于100小时。

审核编辑：刘清