石運(yùn)來(lái),向 強(qiáng),于懷勇,馮 喆,吳衍記

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

0 引言

干涉型光纖陀螺具有體積小、質(zhì)量小、精度范圍廣、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天等領(lǐng)域[1-2]。目前的干涉型光纖陀螺采用的是以Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件(以下簡(jiǎn)稱“Y波導(dǎo)”)和保偏光纖為主的全數(shù)字閉環(huán)方案,Y波導(dǎo)在光纖陀螺中的作用是[3]:起偏、分束和合束、偏置調(diào)制等。Y波導(dǎo)作為光纖陀螺的核心部件,其可靠性對(duì)光纖陀螺的可靠性有很大影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Y波導(dǎo)的可靠性進(jìn)行了研究。Kissa等[4]使用加速壽命的方法,證明了鈮酸鋰芯片在高溫95 ℃條件下的壽命可達(dá)25年?；裟犴f爾公司采用溫度沖擊、振動(dòng)等試驗(yàn)方法對(duì)Y波導(dǎo)的失效形式進(jìn)行了可靠性分析。北京航空航天大學(xué)的楊德偉等[5]對(duì)Y波導(dǎo)的可靠性增長(zhǎng)進(jìn)行了研究,Y波導(dǎo)的活化能Ea取0.8 eV,推導(dǎo)出Y波導(dǎo)在85 ℃、相對(duì)濕度(relative humidity, RH)85%條件下正常工作500 h的壽命等效于在40 ℃、85%RH條件下 20 780 h 的壽命。吳瓊瑤等[6]使用環(huán)境應(yīng)力篩選的方法,將Y波導(dǎo)的成品率提高到93%以上,因此將環(huán)境應(yīng)力篩選方法作為重要的可靠性保證措施。

但是上述使用的傳統(tǒng)研究方法普遍存在測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試成本高等缺點(diǎn),需要一種降低測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本的方法來(lái)進(jìn)行Y波導(dǎo)可靠性研究。高加速壽命試驗(yàn)(highly accelerated life test,HALT)的概念是美國(guó)科學(xué)家霍布斯(Gregg K. Hobbs)在20世紀(jì)80年代提出的[7],是為了在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段,快速有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造工藝的薄弱環(huán)節(jié),并且加以改進(jìn)的一項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)。

國(guó)外對(duì)HALT的應(yīng)用高度商業(yè)化,特別是電子產(chǎn)品的制造商,紛紛把HALT作為改進(jìn)和優(yōu)化產(chǎn)品以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)手段[8-9]。在實(shí)際應(yīng)用方面,1991年2月,Boeing公司分別采用軍用規(guī)范方法和HALT方法進(jìn)行飛機(jī)用電子機(jī)箱的制造,研究表明基于HALT方法可將產(chǎn)品的質(zhì)量和尺寸降低30%,成本降低90%,可靠性也顯著提升。

國(guó)內(nèi)劉學(xué)斌、丁光雨等[10]對(duì)常規(guī)試驗(yàn)裝備進(jìn)行了摸底,獲得兩種型號(hào)繼電器的低溫操作極限為-70 ℃,高溫操作極限為120 ℃,振動(dòng)工作極限為50 Hz、30g。胡曉靜、王海亮等[11]將HALT應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置的研究上,在研制過(guò)程中應(yīng)用HALT進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),大大提升了產(chǎn)品的可靠性。瓦鑫、潘榮榮、吳佳燕等[12]介紹了HALT在燈具上的應(yīng)用和燈具在HALT下的失效形式,試驗(yàn)結(jié)果表明受試品在短時(shí)間高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間低應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性是一致的,證明了使用HALT方法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷是十分有效的。以上應(yīng)用都證明了HALT方法的有效性,因此,引入HALT方法來(lái)快速開(kāi)展Y波導(dǎo)的可靠性研究。目前暫無(wú)在光纖陀螺中應(yīng)用HALT方法的案例報(bào)道,本文以光纖陀螺中的Y波導(dǎo)器件為基點(diǎn),在Y波導(dǎo)可靠性研究中應(yīng)用HALT方法,以此來(lái)快速地提升Y波導(dǎo)的可靠性。

1 HALT的理論與方法

對(duì)產(chǎn)品施加的負(fù)載超過(guò)產(chǎn)品強(qiáng)度額定值就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品故障。在進(jìn)行HALT時(shí),使用的環(huán)境應(yīng)力包括:低溫、高溫、溫變速率和振動(dòng)等[13],而進(jìn)行HALT的常用方法是步進(jìn)方法。使用步進(jìn)應(yīng)力可以通過(guò)逐步增大應(yīng)力量值減小使用的樣本量。HALT方法的基本參數(shù):1)上(下)工作極限,上(下)工作極限是指高(低)于該極限的應(yīng)力會(huì)使產(chǎn)品不能正常工作的應(yīng)力范圍,但是減小應(yīng)力后產(chǎn)品可以正常工作;2)上(下)破壞極限,上(下)破壞極限是指高(低)于該極限的應(yīng)力會(huì)使產(chǎn)品徹底失效的應(yīng)力范圍,即使將應(yīng)力降低也不能恢復(fù)其功能。

1.1 溫度應(yīng)力

使用溫度應(yīng)力進(jìn)行HALT時(shí),首先測(cè)試器件的上、下工作溫度極限與上、下破壞溫度極限,并且在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在測(cè)試器件的溫度極限過(guò)程中,以10 ℃作為一個(gè)臺(tái)階[14],溫度變化速率不超過(guò)5 ℃/min,防止由于溫度快速變化對(duì)器件產(chǎn)生影響。當(dāng)器件處在某一臺(tái)階的溫度時(shí),器件的性能發(fā)生了退化,此時(shí)需要將溫度逐步降低一個(gè)臺(tái)階,在每個(gè)臺(tái)階的溫度環(huán)境下對(duì)器件的性能進(jìn)行測(cè)量,若器件的性能可以恢復(fù)到正常范圍,則此溫度是器件的上工作溫度極限;若將溫度降至常溫環(huán)境下,器件的性能仍未恢復(fù),則此溫度是器件的上破壞溫度極限。確定兩個(gè)極限后,需要對(duì)器件進(jìn)行失效原因分析,確定薄弱環(huán)節(jié),并對(duì)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn),提升器件的可靠性。

在確定器件的上溫度極限后,下一步的工作是測(cè)試器件的下溫度極限。與測(cè)試上溫度極限過(guò)程類似,以10 ℃為一個(gè)臺(tái)階,進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,若器件在某一臺(tái)階的溫度下,器件的性能發(fā)生了退化,此時(shí)將溫度逐步升高一個(gè)臺(tái)階,在每個(gè)臺(tái)階對(duì)器件進(jìn)行一次測(cè)量,若器件性能恢復(fù),則此溫度是下工作溫度極限;若器件性能未恢復(fù),則此溫度是下破壞溫度極限。在測(cè)試下溫度極限時(shí),若器件處于-100 ℃環(huán)境下也沒(méi)有發(fā)生失效,此時(shí)也停止試驗(yàn),這是因?yàn)樵S多產(chǎn)品并沒(méi)有低溫破壞極限。

確定上、下破壞溫度極限之后通常進(jìn)行溫變速率試驗(yàn),選定的高低溫界限在工作極限的前一個(gè)臺(tái)階。假定確定的高溫工作極限是130 ℃,低溫工作極限是-70 ℃,則溫度范圍選擇-60 ℃～120 ℃。霍布斯對(duì)100多種產(chǎn)品進(jìn)行了溫度變化速率的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品對(duì)溫度變化速率并不敏感[15],因此在首次試驗(yàn)時(shí)采用最大的溫變速率,如果有故障發(fā)生,再使用步進(jìn)的方法確定產(chǎn)品對(duì)溫變速率的敏感性。

1.2 振動(dòng)應(yīng)力

振動(dòng)試驗(yàn)也需要確定工作極限和破壞極限。確定工作極限的目的是在后續(xù)的篩選過(guò)程中確定振動(dòng)應(yīng)力量值。使用的振動(dòng)臺(tái)最好是全自由度的振動(dòng)臺(tái),即3個(gè)軸向和繞3個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)方向。探索振動(dòng)量值工作極限和破壞極限也使用步進(jìn)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。從5GRMS的隨機(jī)振動(dòng)開(kāi)始,每次增加5GRMS,溫度條件為常溫,在每個(gè)振動(dòng)量值上保持10 min。同時(shí)記錄振動(dòng)的工作上限和破壞上限。如果達(dá)到20GRMS及以上時(shí),逐步將振動(dòng)量值降低到2GRMS,低量值的振動(dòng)是為了找到在高振動(dòng)量值不能發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,已經(jīng)證明這種低量值、全軸向的振動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)那些在高振動(dòng)量值發(fā)現(xiàn)不了的缺陷。

1.3 綜合應(yīng)力

綜合應(yīng)力是將兩種或多種應(yīng)力結(jié)合起來(lái),共同施加,一般選擇快速溫度轉(zhuǎn)換與步進(jìn)振動(dòng)相結(jié)合的方式。邁克萊恩(Harry W. McLean)[16]收集了采用上述5種方式進(jìn)行HALT的47種產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)試出來(lái)的缺陷占總?cè)毕莸谋壤鐖D1所示。在經(jīng)歷了全部的HALT之后,要進(jìn)行HALT驗(yàn)證,驗(yàn)證的目的是為了確保已經(jīng)采取的措施糾正了原先的缺陷。

圖1 不同環(huán)境下HALT缺陷

2 Y波導(dǎo)的HALT方法及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫試驗(yàn)

根據(jù)GJB179A《計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)程序及表》在加速壽命試驗(yàn)樣本為25,摸底邊界條件在一般檢驗(yàn)水平為Ⅱ時(shí),即總樣本數(shù)量為25,抽取5個(gè)樣本作為摸底數(shù)量,當(dāng)可接受質(zhì)量水平為97.5%時(shí),其中一個(gè)樣品失效即代表此批次失效。首先測(cè)量了第一組5支Y波導(dǎo)常溫下的相關(guān)參數(shù),然后按照1.1節(jié)描述的過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)合Y波導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,在確定高溫工作極限和破壞極限時(shí),以80 ℃作為起始溫度,升溫速率不超過(guò)5 ℃/min。在溫度升到80 ℃時(shí),恒溫保持1 h,然后降溫,同樣溫度變化速率不超過(guò)5 ℃/min,當(dāng)恢復(fù)到25 ℃時(shí),對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行性能測(cè)試,從降至25 ℃到完成測(cè)試過(guò)程的時(shí)間不超過(guò)0.5 h,以防應(yīng)力作用被釋放。完成測(cè)試后,將溫度升溫至90 ℃,恒溫保持1 h,然后降溫,對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行性能測(cè)試,直至確定Y波導(dǎo)的工作極限和破壞極限。整個(gè)溫度變化過(guò)程中,用4只18B20測(cè)溫芯片進(jìn)行溫度的監(jiān)控,保證試驗(yàn)溫度的準(zhǔn)確性。實(shí)際的試驗(yàn)溫度如圖2所示。

圖2 高溫試驗(yàn)溫度圖

根據(jù)此Y波導(dǎo)廠家的出廠條件,規(guī)定試驗(yàn)截止條件:插入損耗(insertion loss, IL)變化量大于0.5 dB,分束比變化量大于3%,尾纖偏振串音大于-27 dB,半波電壓變化量大于5%。達(dá)到上述截止條件的任意一條,試驗(yàn)終止,表1為試驗(yàn)過(guò)程中Y波導(dǎo)的部分性能參數(shù)。

表1 高溫條件下Y波導(dǎo)的部分性能參數(shù)

在整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,提取5支Y波導(dǎo)部分參數(shù)的最大值、平均值、最小值,從表中可以看到有2支波導(dǎo)的插入損耗變化量超過(guò)了0.5 dB,達(dá)到了規(guī)定的截止條件,半波電壓降低了0.03～0.05 V之間,尾纖偏振串音有不同程度的增大,分束比也有增大的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,150 ℃為高溫破壞極限[17],130 ℃為高溫工作極限。

注:所有的性能指標(biāo)均在常溫下測(cè)試。

2.2 高濕試驗(yàn)

選用第二組5支Y波導(dǎo)進(jìn)行濕度的測(cè)試。首先測(cè)量常溫時(shí)的性能參數(shù),將波導(dǎo)放入濕度箱中,同時(shí)搭建好測(cè)試光路,設(shè)置試驗(yàn)條件為25 ℃,RH 95%,試驗(yàn)時(shí)間為24 h,保證Y波導(dǎo)處于濕潤(rùn)狀態(tài)下進(jìn)行性能測(cè)試。表2為高濕測(cè)試前后的性能參數(shù)對(duì)比。

表2 高濕條件下Y波導(dǎo)的部分性能參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,在常溫、RH95%的條件下,Y波導(dǎo)放置24 h后的參數(shù)變化并不大,沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)截止條件。由此判定,單獨(dú)的濕度條件對(duì)Y波導(dǎo)的性能影響很小,因此,單獨(dú)的高濕條件不能作為影響Y波導(dǎo)的主要環(huán)境因素。

2.3 溫度快速變化

選用第三組5支Y波導(dǎo)進(jìn)行快速變溫試驗(yàn),采用的溫箱為雙箱溫箱,將高溫箱升到110 ℃,低溫箱降至-40 ℃,待2個(gè)溫箱的溫度都達(dá)到設(shè)定值時(shí),打開(kāi)隔板,低溫箱中-40 ℃的冷空氣進(jìn)入到110 ℃的高溫箱中,使其中的器件經(jīng)歷溫度快速變化,溫度變化速率可達(dá)30 ℃/min,重復(fù)4個(gè)循環(huán),測(cè)試試驗(yàn)前后的性能參數(shù),表3為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 溫度快速變化下Y波導(dǎo)的部分性能參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度快速變化(30 ℃/min)條件下的Y波導(dǎo)參數(shù)變化很小,幾乎沒(méi)有影響,因此判定溫度快速變化不是影響Y波導(dǎo)性能的主要環(huán)境因素。

2.4 高溫下的HALT

根據(jù)上述3種環(huán)境應(yīng)力對(duì)Y波導(dǎo)性能影響的結(jié)果,選用高溫作為加速應(yīng)力。將同一批次的200支波導(dǎo)分成25組,每組8支并編號(hào),從每組抽選第3支作為樣本,總計(jì)選取25支Y波導(dǎo)作為試驗(yàn)樣本。由于高溫主要影響Y波導(dǎo)性能參數(shù)中的分束比和插入損耗,因此將這2個(gè)參數(shù)作為失效判據(jù),每8 h 對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)共持續(xù)1 400 h,試驗(yàn)溫度恒定在120 ℃,參考IEC 62005-2《光纖互聯(lián)器件以及無(wú)源器件可靠性—第2部分:基于加速老化試驗(yàn)—溫度和濕度試驗(yàn)可靠性的定量評(píng)估;穩(wěn)態(tài)》,將失效判據(jù)改為插入損耗變化量大于1 dB,分束比變化量大于3%。圖3(a)和(b)是1～8號(hào)Y波導(dǎo)插入損耗變化量和分束比變化圖,圖4(a)和(b)是9～17號(hào)Y波導(dǎo)插入損耗變化量和分束比變化圖,圖5(a)和(b)是18～25號(hào)Y波導(dǎo)插入損耗變化量和分束比變化圖。圖6是失效數(shù)量隨著時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

(a)

(a)

(a)

圖6 波導(dǎo)失效數(shù)量隨時(shí)間變化

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,Y波導(dǎo)的插入損耗變化呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì),有5支Y波導(dǎo)會(huì)有小段時(shí)間損耗值異常,后又恢復(fù)至線性區(qū)附近,所有Y波導(dǎo)的插入損耗變化值不超過(guò)3.5 dB;大部分的Y波導(dǎo)分束比的變化屬于線性變化,有6支Y波導(dǎo)的分束比變化巨大,沒(méi)有規(guī)律可循。

圖6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,40 h前屬于Y波導(dǎo)的早期失效階段,40～1 120 h屬于Y波導(dǎo)的本征失效階段,1 120 h后屬于Y波導(dǎo)的壽命尾期,符合浴盆曲線的特征。

2.5 浴盆曲線繪制及壽命預(yù)計(jì)

無(wú)論是電子器件還是機(jī)械器件,它們的失效率曲線一般都是“浴盆”形狀[18]。這種失效率曲線被稱為可靠性浴盆曲線。浴盆曲線有3個(gè)時(shí)間段,首先是在器件的早期使用階段,失效率相對(duì)較高,這個(gè)時(shí)間段被稱為早期失效階段,對(duì)應(yīng)的失效率為早期失效率(early failure rate,EFR);其次,在早期失效階段后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)失效率極低且穩(wěn)定的時(shí)期,稱為本征失效階段,對(duì)應(yīng)的失效率被稱為本征失效率(intrinsic failure rate,IFR);最后,在本征失效階段后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)失效率急速上升的時(shí)期,稱為耗盡(wear-out)階段。器件的失效率一般為威布爾(Weibull)失效率[18],由此,可使用威布爾失效率進(jìn)行浴盆曲線的繪制。威布爾失效率為

(1)

式中,λ(t)為失效率;β為形狀參數(shù);t63為特征失效時(shí)間;t為時(shí)間。

Y波導(dǎo)的3個(gè)失效階段的數(shù)據(jù)在表4～表6列出。表4為Y波導(dǎo)早期失效的數(shù)據(jù),早期的樣本數(shù)量為25。表5為Y波導(dǎo)本征失效期的數(shù)據(jù),本征失效期的樣本數(shù)量為10,除去早期失效的15支波導(dǎo)。表6為波導(dǎo)耗盡期失效的數(shù)據(jù),耗盡期的樣本數(shù)量為5,除去早期失效的15支與本征失效期的5支波導(dǎo)。

表4 Y波導(dǎo)早期失效數(shù)據(jù)

表5 Y波導(dǎo)本征失效期數(shù)據(jù)

表6 Y波導(dǎo)耗盡期失效數(shù)據(jù)

以失效時(shí)間為自變量,威比特(welbits)為因變量,使用最小二乘法擬合,得到的2個(gè)參數(shù)a和b,可構(gòu)成y=alnt+b的等式,其中a即為形狀參數(shù)β,令等式中的y=0,即得到特征失效時(shí)間t63。將得到的β和t63代入式(1)中,即可得到對(duì)應(yīng)的失效率函數(shù),繪制出相應(yīng)的失效率曲線,整體的失效率為3個(gè)時(shí)期失效率的代數(shù)和。早期失效率曲線、本征失效率曲線和耗盡失效率曲線如圖7(a)、(b)、(c)所示,可靠性浴盆曲線如圖8所示。

(a)

對(duì)Y波導(dǎo)的壽命估計(jì)采用阿倫紐斯(Arrhenius)模型,此模型是最典型、應(yīng)用最廣的加速模型[19],Arrhenius壽命計(jì)算模型見(jiàn)式(2)

(2)

式中:AF為加速因子;Ea為活化能;k為波爾茲曼常數(shù),數(shù)值約為8.617×10-5eV/ ℃;T1為Y波導(dǎo)工作時(shí)的溫度,單位為開(kāi)爾文(K);T2為波導(dǎo)施加的加速溫度,單位為開(kāi)爾文(K)。BellCore GR-468-Core《Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment》給出了Ea的推薦值為0.7 eV,根據(jù)式(2)可計(jì)算出120 ℃的加速因子約為726。由此可以推斷25 ℃的壽命約為93年。

3 結(jié)論

針對(duì)高可靠長(zhǎng)壽命的Y波導(dǎo)器件,采用HALT方法能有效地對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估和壽命估計(jì),主要結(jié)論如下。

1)探究3種環(huán)境因素(高溫、高濕和溫度快速變化)對(duì)Y波導(dǎo)性能的影響,測(cè)試的性能參數(shù)包含:插入損耗、分束比、尾纖偏振串音以及半波電壓。試驗(yàn)結(jié)果顯示,溫度快速變化(30 ℃/min)和高濕條件(95%RH,24 h)對(duì)Y波導(dǎo)參數(shù)的影響并不明顯,而高溫(120 ℃以上)對(duì)Y波導(dǎo)性能影響非常明顯,因此確定高溫(120 ℃)條件作為加速條件,影響的主要參數(shù)是插入損耗以及分束比。

2)與加速壽命試驗(yàn)相比,HALT極大地縮短了測(cè)試時(shí)間,在120 ℃的溫度下進(jìn)行了不到2個(gè)月的時(shí)間即完成了對(duì)Y波導(dǎo)器件的壽命試驗(yàn),并根據(jù)推薦的活化能值,采用Arrhenius模型估算出Y波導(dǎo)器件在25 ℃的條件下壽命為93年。

3)BellCore GR-468-Core只給出了活化能的推薦值,并沒(méi)有給出推薦值是0.7 eV的具體原因,后續(xù)的工作將嘗試對(duì)活化能的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)與估計(jì)。