GR-468标準簡介
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年也發布瞭(le)國标GB/T 21194-2007：《通信設備(bèi)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。該标準是爲這些器件能夠有20年以上的預期壽命所進行的可靠性要求。
GR-468中提到瞭(le)六個可靠性保證程序的組成要素 ，圖1分别對這六個項目所涉及到的主要内容進行瞭(le)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産(chǎn)品在生産(chǎn)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(rèn)證的六個(gè)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。客戶至少每兩年進行一次複核，對可靠性數據進行重點審查，確保供應商的運營處於(yú)質量可控之下。客戶應對每個批次都做測試和分析，並(bìng)檢查和糾正生産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，並(bìng)保存五年以上 。
這主要是在器件制造、組裝以及測(cè)試篩選過程中，微小差異都可能導緻對可靠性産生巨大影響，光電子器件不能像其他元器件 ，通過“相似”、“類似”或者“産品系列”來做通用性鑒定。比如光模塊採(cǎi)用同樣的激光器 ，同樣的生産線，僅僅是耦合後的實際功率有差異 ，也需要重新認證，分析其失效和劣化原因。
採(cǎi)購方需要對光電(diàn)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(diàn)流程。
由於(yú)可靠性測(cè)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中按封裝層次對産品進行分級（主要針對有源器件）：
1. wafer level: 晶圓級，芯片還(hái)未解理的狀态。GR-468不包括晶圓級的可靠性認證和測(cè)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(gè)載體上才能工作測(cè)試。因此芯片級還需要在子組件基本進行測(cè)試和認證。
3. submodule level：光組件級，芯片被初步組裝 ，但還不具備(bèi)完整的光/電(diàn)接口，比如TOcan或COC。
4. module level：光器件級，芯片擁有瞭(le)完整的光電接口，可以進行一系列指标測(cè)試 ，比如TOSA、ROSA、BOX等 。
5. Integrated Module：光模塊級(jí)，通信等應用中的最終産(chǎn)品形态。
圖2 按照封裝層(céng)次可以将有源器件分爲5個(gè)層(céng)級
針對不同的應用場(chǎng)景，主要分爲受控環境（CO）和非受控環境（UNC）。由於(yú)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 、範圍以及可靠性要求不一樣：
1. CO環境 ，長(zhǎng)期溫度限制在5~40°C，短期内-5~50℃，光器件的工作溫度需要延伸20°C。因此器件的工作範圍處於(yú)-5~70℃。
2. UNC環境，室外溫度氣溫在-40℃~+46℃，通信設備(bèi)周圍空氣溫度可達65℃，光器件工作溫度需延伸20℃，因此器件的工作範圍處於(yú)-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的定義爲運行10億小時出現一個故障。光電(diàn)子器件的故障率在不同的時間的變(biàn)化也符合浴盆曲線 。根據浴盆曲線，光電(diàn)子器件的失效主要分爲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後，故障率由高到低發生變(biàn)化，随時間增加趨於(yú)穩定 。對於(yú)早期失效期，需要經過早期篩查檢測 ，盡快去除影響；
2) 随機故障 。設備(bèi)處於(yú)正常運轉狀态 ，故障率較低且穩定 ，甚至基本保持不變，這段時間稱爲設備(bèi)作業的最佳時期，也是設備(bèi)的有效壽命期。光電子行業相比於(yú)集成電路，随機故障率高，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(bèi)故障率急劇升高，主要是由於(yú)設備(bèi)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(bèi)已處於(yú)不正常狀态。
圖3 失效率浴盆曲線
（來(lái)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於(yú)100 FITs。在實際試驗中通常採(cǎi)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，然後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爲調整系數，Ea爲活化能，kB 爲玻爾茲曼常數 ，Ti爲工作溫度。Arrhenius方程是化學反應速率常數随溫度變(biàn)化關系的經驗公式，适用於(yú)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，下表是标準中給出的不同器件在不同失效期時的參(cān)考活化能Ea。需要注意的是，Ea取值的不同将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，産品應該盡量通過不同溫度下的加速老化實驗確(què)定準確(què)的活化能。
表1 GR-468中給(gěi)出不同器件的參(cān)考激活能
（來(lái)源：Telcordia: Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment, GR-468 Issue Number 02 (2004)）
廣電計量是國内S家完成激光發射器、探測(cè)器全套AEC-Q102車規認證的第三方檢測(cè)機構，具備(bèi)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(cè)試認證服務，在人才隊伍上，形成以博士、專家爲核心的光電器件測(cè)試分析團隊，具備(bèi)國内專業的光電(diàn)子器件測(cè)試标準解讀能力和試驗能力，能夠提供一站式光電(diàn)子器件測(cè)試方案。
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