激光二极管寿命测试方法研究

第34卷　第2期　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外　2004年4月　　　　　　　　　　　　　　LASER 　&　INFRARED 　　文章编号:100125078(2004) 0220124204

Vol. 34,No. 2April ,2004

激光二极管寿命测试方法研究

苏美开, 高稚允, 左　　, 刘秉琦

(北京理工大学光电工程系, )

摘　要:文中介绍了半导体激光二极管() , 型, 并据此设计了LD LD 的平均输出光, , P -t 曲线, 或通过采集恒功工作, 即恒功条件下的I -t 曲线, 然后推断LD 正常条件下的关键词:激光二极管; 高温老化; 寿命测试; 激活能中图分类号:TN365; TN407　　　文献标识码:A

Study on the Method of Laser Diode Life T esting

SU Mei 2kai , G AO Zhi 2yun , ZUO Fang , L IU Bing 2qi

(Department of opto 2electronic engineering , Beijing institute of technology , Beijing 100081, China )

Abstract :The theory of Laser Diode life testing and mathematic model of life testing were introduced , and a high 2temperature accelerating LDs automatic life testing system was developed from these. By sampling the power/cur 2rent of LDs ,which works under automatic current control (ACC ) /automatic power control (APC ) , power 2time (P 2t ) /current 2time (I 2t ) curve of LDs is ploted , and thus concludes the normal working life of LDs. K ey w ords :laser diode ; high 2temperature burn 2in ; life testing ; active energy

1　概　述

随着光电子技术的迅速发展, 半导体激光二极管(LD ) 已广泛应用于光纤通信、激光唱盘、信息存储、医疗、泵浦固体激光器等领域, 对于LD 在任何领域的应用, 总希望其能长期可靠的工作, 例如海底通信系统要求器件可靠工作20年以上[1], 因此LD 可靠性和寿命测试的研究已成为当前的热点。这些研究归纳起来有激光器参数测量法[2]:如电导数测量法、热阻测量法; 加速寿命测量法:如热应力加速测量法[3-5]、电应力加速测量法(包括大电流加速[6]和静电冲击[7]) 等。但是这些研究中大多只给出了实验结果, 没有给出系统的理论分析和系统的测试方法。本文基于加速寿命的基本概念, 参考普通半导体器件寿命测试方法, 给出了高温条件下加速寿命测试的数学模型。并详实叙述了LD 寿命测试系统设计:即通过采集恒流工作LD 的平均输出光功率

随时间变化的信息, 绘制LD 的老化曲线, 即恒流条

件下的P -t 曲线(实际情况下只监控相对值的变化, 即△P/P 0-t 曲线) , 或通过采集恒功工作LD 的工作电流随时间变化的信息, 即恒功条件下的I -t 曲线(实际情况下只监控相对值的变化, 即△I/I 0-t ) 曲线) , 然后推断LD 正常条件下使用寿命。2　理论依据

211　加速寿命的基本概念

确定器件的可靠性和寿命原则上应在特定的工作条件下(电流、功率、温度等) 对器件进行考核, 直至器件失效。对于高可靠性的电子元器件进行长时间的寿命试验, 无论从成本还是时间上来看, 都是不

　　作者简介:苏美开(1964-) , 男, 北京理工大学光电工程系博士生, 目前从事半导体激光器可靠性测试方法研究, 已发表论文50余篇。

收稿日期:2003208204

第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外125

合算的, 甚至是不可能的。例如对于某种器件, 如果要求其失效率为216×10-8/小时, 抽取1000只进行试验, 若允许5只失效, 则需试验22年。因此提出了加速寿命试验来预测器件寿命, 即用较短的时间加速老化预测器件寿命。

加速寿命试验的目的概括起来有:可以在较短时间内用较少的元器件估计高可靠器件的可靠性水平, 运用外推的方法快速预测器件在正常条件下的可靠度; 可以在较短时间内提供试验结果, 艺; , 产品; 212　21211　寿命的定义

尔兹曼常数:1138×10-23J /K , T 为热力学温度。设通过实验可以测得某温度T 1下器件寿命为

L 1, 从(3) 式仍不能推得其它温度下的寿命, 因为有两个未知数。因此测试温度应有两个, 即还需测得另一个温度T 2下器件寿命为L 2, 根据(3) 式可以求得激活能Ea T 1对某温度T 3K 3:

() ]=EX P[-k T 3T 1

) EX P (k T 1

EX (4)

则有:

　　L 3=L 1EX P[

() ]-k T 3T 1

(5)

寿命测试是在老化筛选的基础上进行。LD 寿命是表征其可靠性的物理量。是根据不同要求人为规定的, 如规定LD 恒流工作时, 其功率下降10%时(也可以规定20%,30%,50%等等) 对应的工作时

　　可见实验需要测得同一批器件在两个不同温度下的寿命, 然后推得其他温度下的寿命。这就要求被测器件的数量应足够多, 才能避免个性影响, 而得到共性, 即得到统计寿命值才真实。21213　激活能与失效机理

间为其寿命L 10%, 或规定LD 恒功工作时, 其工作电流升高5%时(也可以规定20%,30%,50%等等) 对应的工作时间。又分为平均寿命、中位寿命等等。

平均寿命:常用的一种寿命特征量, 是指一批器件寿命的平均值。如有N 个器件,

它们的寿命平均值为　　L 平均=

N

　　激光器从正常状态进入劣化状态的过程中, 存在能量势垒, 跃过这个势垒所需要的能量必须由外

部供给, 这个能量势垒就称为激活能[9]。由(4) 式可以绘出温度、激活能与加速系数之间的关系如图1、图2。可以看出, 激活能E a 越大曲线倾斜越大,

∑t i

N

与温度关系越密切, 加速系数越大; 温度越高加速系

(1)

数越大。

　　其中t i 是第i 个器件的寿命。

中位寿命:当器件的可靠度下降50%时, 对应的工作时间, 即总共有N 个器件有N/2个器件寿命终结时对应的时间, 即L 中位=t N/2

21212　加速寿命测试的数学模型

(2)

　　由于通常LD 寿命达到10万小时左右, 因此要测得其常温下的寿命时间太长, 因此采用加速寿命的方法。根据高温加速寿命得的结果外推其他温度下的寿命。

　　LD 的老化寿命测试原理是基于Arrhenius 模型[8], 利用该模型可以发现由温度应力决定的反应速度的依赖关系, 即　　1n L =A +

E k T

图1　激活能与加速系数的关系

　　由于器件向失效发展的机理不同, 其能量势垒的高度也不同, 所以其激活能量值Ea 也不一样, 就像其它半导体器件一样[10], 根据激活能Ea 量值推出失效机理, 据此改进器件设计和生产工艺。某一批次器件的Ea 可看出近似相同。

(3)

　　式中L 为寿命,Ea 为激活能,A 为常数,k 为玻

126激光与红外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第34卷

上端工控机通信, 完成信息的交流; 温度控制系统是提供进行LD 老化和寿命实验的工作环境, 包括电加热板(或加热模) 和温控仪, 温控仪采用位式PID 控制, 控制误差为015%, 从而实现温度监控、温度报警等功能; 系统使用密封盒将受试器件与大气隔绝, 并充氮气, 保护含Al ; G e 探测, 本设计采用100W 4; 样品架根据LD 不同封装形式进行

图　　　总之, , 也, 之后就可以根据(5) 式外推器件在任意温度条件下的寿命

。

设计, 图4是Chip on Mount LD 测试样品架; 为了固

定可靠和重复安装方便采用燕尾槽式结构。

图3　寿命测试系统总体框图

图4　Chip on Mount LD 测试样品架

3　寿命测试系统的设计4　测试实例

整个系统有四大部分组成(图3) :控制柜、测试柜、充氮机和水循环冷却机。控制柜内有:4×16路LD 驱动电源、4路加热电源和工控机(包括控制部

μm In G aAsP/InP MQW 2　　测试样品为7只1155DFB 激光二极管(未老化) , 封装形式为Chip on Mount (热沉上的管芯) 。且已知该批器件的激活能Ea =016eV =0. 96×10-19J 。为了节省测试时间, 设

分、数据采集部分) ; 测试柜内有4层密封盒, 密封盒内有16路样品架、16路G e 探测器及LD 加热板、探测器冷却系统; 另有抽真空机、充氮装置和水循环冷却机。

　　系统采用一台工控机作为数据采依及处理子系统的操作平台, 操作系统选用Windows98, 数据分析处理软件自行设计, 采用VC ++作为软件开发语言, 电流信号的采集和控制采用GP -IB 接口进行通信;LD 驱动电源由电流源和电流源控制两部分组成, 可提供电流为0～1000mA , 输出电流误差为满标度的±(1/4096) , 并有欠压过压保护和尖脉冲保护功能, 电流源控制部分采用51系列单片机来监测电源的实时工作以及输出光功率, 控制电流源实现恒流(ACC ) 和恒功(APC ) , 并通过GPIB 接口与

定为自动恒功控制(APC ) 且设定工作电流上升5%为寿命终结, 并记录平均寿命。测试环境条件为T =80℃。

　　图5是APC 条件下的△I/I -t 曲线

。

图5　测试曲线

　　从图5可以明显看出有两只器件(1,2号) 退化

第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激光与红外127

很快, 在130h 左右就退化5%, 而其他5只器件(3, 4,5,6,7号) 则比较稳定, 约1700h 开始退化。据此

μm In G aAsP/InP MQW -DFB 激光二极管的1155

老化条件是:80℃、130h 。参考文献:

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[4]　Nara Hwang , G wan 2Chong Joo ,Sang 2Hwan Lee , et al.

可以确定该批次器件老化筛选条件, 即APC 条件下80℃老化130h 左右。根据3-7号件的各自寿命可

求得该批器件的在80℃时平均寿命:

　　L [80℃]=(L 3+L 4+L 5+L 6+L 7) /5=(1135+1680+1690+1700+1715) /5=1584h , 又根据

(5) 式可求得25℃时器件的平均寿命为

　　L [25℃]=1584×2611176≈4125　误差分析

5

　　由(3) , L , 主要来自, (3) L 的相对误差　　

L

k T 2

=△T (6)

　　在上述测试中, 加速寿命温度取T =80℃; 取激活能Ea =0. 6ev ; 温度测量精度△T =1℃(采用PID 算法控制) 。则

L

≈518%。其中温度的测量

μm In 2Structure 2dependent reliability assessment of 1. 3

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[6]　Michael C Y ,Robert W H ,Pierre M

P.

Degradation

精度对误差的影响较大。6　结　论

　　由于半导体激光器的寿命较长, 因此采用高温加速寿命测试方法, 通过采集恒功条件下工作电流的变化或恒流条件下输出光功率变化的信息, 绘制激光二极管的老化曲线, 即△I/I 0-t 曲线或△P/P 0-t 曲线。得到高温下寿命后, 再根据加速寿命数

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学模型得到器件常温或其它温度条件下的工作寿命。

寿命测试的结果是一个统计平均值, 可以看成是一个预测结果。其准确度与抽样数量有关, 但考虑到实验成本, 抽样的数量也不确定, 贵重样品可选5-10只, 价格低的可选10-20只。在我们系统设

计时, 我们设计为64路, 目的是兼顾产品的老化筛选。

通常测试寿命时, 选用的器件为老化筛选后的器件, 但考虑到各生产厂家器件的差异, 如果都根据老化标准[11]对器件筛选, 则可能造成筛选结果不准确, 即筛选应力(通常为温度) 、老化时间选择的不合适而造成老化不够或老化过度, 因此该寿命测试系统既可以检验老化方法的准确性, 又可以确定某批次器件的老化条件, 如在我们测试实例中得到

京邮电大学出版社,2001:252-2581