半导体激光器(15501310)高低温循环寿命研究

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

Research on High-low Temperature Cycle Lifetime of 1310nm LDs Modules

Abstract : A mathematical model of the cycle lifetime of Laser Diode (LD) has been established. Studied on high-low temperature cycle lifetime of 1310 nm LD modules by experiment under different simulation environmental conditions. The result shows that cycle lifetime has index relation to the temperature difference of cycle and cycle speed. By testing the cycle lifetime of LDs under the high temperature difference and high cycle rate conditions, the cycle lifetime of LDs under the ordinary working conditions can be estimated.

Key words : Semiconductor Laser Module, High-low Temperature Cycle Lifetime, Mathematical Model of Lifetime

1. 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0.40d B 。因此1310nm LD 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[1]，用在非控环境（UNC ）的器件需要做高温加速寿命测试和-40℃～85℃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1310nm LD 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。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。 2. 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1310nm LD 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25℃下测量其恒功率输出（P ＝5mW ）时阈值电流I th 、工作电流I op 、外量子效率η。

图1. 1310nm LDTO5.6组件外观

2.2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1℃。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25℃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

2.4寿命模型

假设失效标准Δη＝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。

表2 四种情况的中值寿命

从表可以看出，外界环境影响器件寿命的因素有两个：一是循环温差ΔT ，另一个是循环速度σ,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：

b N k F +=)ln( （1）

其中k 是与循环速度有关的常数，b 与循环温差ΔT 有关的常数。由（1）得

)/exp()/exp(k b k F N -= （2） 设T E b ∆'

=

, k=k ´σ(其中E ´、k ´为比例常数)，则（2）式可以写为： )exp()exp(T

E

k F N ∆-'=σσ （3）

其中E ＝E ´/k ´为常数。(3)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%）便可求得中值寿命对应的循环次数。

当循环速度σ确定时，由（3）式可以求得循环次数与温差的关系

)exp(T E C N T T ∆-

=＝)exp(1

2T T E C T

-- (4) 其中E T =E/σ, )exp(

σ

k F

C '=。(4)式从形式上与Arrhenius 模型[2]是一致的。 当循环温差ΔT 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

)exp(σ

σσE

N = (5)

其中，)(T

E k

F E ∆-'=σ。

图4是六种热循环情况（增加一个60℃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：σ＝2℃/min 和σ＝10℃/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ΔT ＝20ºK,循环速度为σ＝2℃/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ΔT ＝20ºK,σ＝10℃/min 时，器件中位寿命约为1000个循环。

3. 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

图

4. 不同温差下，器件达到50%失效中值寿命半对数曲线