Obecnie diody laserowe emitujące promieniowanie powierzchniowe (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting lasers) są często wykorzystywane jako nadajniki w lokalnych sieciach komputerowych. Z kolei jako odbiorniki stosowane są fotodiody PIN. W sektorze automotive lasery i fotodiody są także coraz częściej stosowane w czujnikach systemów samodzielnej jazdy. Jasne jest, że w takich aplikacjach niezawodność elementów jest jednym z podstawowych parametrów. W artykule przedstawiamy jeden z najnowszych na naszym rynku sposobów zapewnienia wysokiej jakości projektów profesjonalnych, bazujący na działaniach firmy RoodMicrotec.

Cała nowoczesna branża telekomunikacyjna, od centrum danych przez transfer za pomocą kabla podmorskiego po szybki Internet mobilny, bazuje na jednej technologii: optycznej transmisji danych. Głównymi elementami optycznych sieci transmisyjnych są moduły nadawczo-odbiorcze oraz światłowodowe.

Elementy istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa muszą spełniać niezwykle wysokie wymagania dotyczące niezawodności. Należy zapewnić stabilne i pewne ich działanie pod obciążeniem przez wiele lat. W tym celu wszystkie komponenty muszą być wysokiej jakości i odporne na uszkodzenia. Dbanie o jakość i wysoką niezawodność podzespołów zaczyna się już na etapie wytwarzania struktur półprzewodnikowych (wafers). Żeby te procesy statystycznie nadzorować, wyprodukowane elementy są weryfikowane za pomocą testów przedstawionych w artykule.

W ten sposób można wykluczyć niekorzystne właściwości zastosowanych materiałów już na wczesnym etapie realizacji projektu. Żeby ułatwić prawidłową diagnozę jakościową, firma RoodMicrotec opracowała całą serię specjalistycznych testów. Powalają one sprawdzić wytrzymałość VCSEL i fotodiod PIN w różnych scenariuszach obciążenia.

Aby uprościć implementację małych struktur półprzewodnikowych, zazwyczaj zamyka się je w obudowy TO (Transistor Outline). Ułatwia to ich użycie w urządzeniach, gdyż dostępne są dla nich znormalizowane podstawki, a różne konfiguracje pomiarowe wymagają jedynie niewielkich modyfikacji przy wymianie testowanych elementów.

Przyspieszone starzenie i testowanie trwałości odbywa się zazwyczaj w komorach klimatycznych, w których można ustawić stałą lub cyklicznie się zmieniającą temperaturę i wilgotność względną. Przy odpowiednich parametrach i działaniu elektrycznym komponentów można przeprowadzić całą serię standaryzowanych testów, które opisano poniżej.

Kontrola i monitorowanie komór klimatycznych

Wszystkie komory i procesy w firmie RoodMicrotec są monitorowane i kontrolowane przez autorskie programy napisane w środowisku LabVIEW. Do niedawna stosowano tylko proste interfejsy na komorach, ale specyficzne programowanie umożliwia także ukierunkowane i złożone sekwencje procesów, które np. uruchamiają różne kształty zmian temperatur w funkcji czasu lub zawierają dodatkowe procedury suszenia w komorach wilgotnościowych po teście. Jednoczesne monitorowanie testu pracy w tym samym urządzeniu pozwala na w pełni automatyczne sprzęganie. Oznacza to, że test może być automatycznie przerwany, jeśli zawiedzie zbyt wiele urządzeń, a problemy z kontaktem mogą być zidentyfikowane natychmiast, nie tylko po zakończeniu testu.

Test HTOL

W testach HTOL (High Temperature Operating Life) lasery VCSEL pracują w wysokich temperaturach z maksymalną mocą, aby symulować przyspieszone starzenie się komponentów. Regularne, w pełni zautomatyzowane charakterystyki optyczne, zapewniają głęboki wgląd w degradację struktur, mechanizmy awaryjne i oczekiwany okres użytkowania. Testując kilkaset komponentów w ciągu kilku tysięcy godzin, można uzyskać bardzo znaczące dane statystyczne, pozwalające na wyciągnięcie wniosków na temat żywotności testowanego elementu w normalnych warunkach. Testy warunków skrajnych w różnych temperaturach i warunkach pracy można wykorzystać do porównania złożonych modeli szacowania okresu eksploatacji z realistycznymi danymi. System testowy żywotności dla VCSEL ma miejsce na jednoczesne testowanie do kilkuset komponentów. Każdy moduł posiada mały piec, miejsce na 16 elementów VCSEL w obudowach TO oraz 16 fotodiod monitorujących i może pracować w różnych temperaturach do 150°C oraz przy prądach urządzenia do 50 mA (rysunek 1).

Szczególny przypadek badania HTOL występuje, gdy wszystkie awarie komponentów spowodowane degradacją są ignorowane i brane są pod uwagę tylko awarie losowe (Random Failures). Ponieważ są one bardzo rzadkie, zazwyczaj kilka tysięcy elementów jest poddawanych testom i regularnie mierzone. Na podstawie ocen statystycznych można następnie obliczyć wartości dla oczekiwanego okresu użytkowania, oddzielając je od losowo występujących spontanicznych awarii i awarii systematycznych, którym często towarzyszy pogorszenie wydajności. Dla producentów komponentów optoelektronicznych statystyki te mają olbrzymią wartość, ponieważ elementy te często są stosowane w sektorze, gdzie liczy się wysoka niezawodność.

Fot. 1. W komorze HTOL znajduje się wiele komór termicznych, z których każda może zapewnić inną temperaturę testu

Test THB

W teście wilgotności w temperaturze wzbudzonej (THB – Temperature Humidity Biased albo też BHD – Biased Damp Heat) można szybko sprawdzić, jak testowane elementy reagują na wilgoć. Wnikająca wilgoć może prowadzić do różnych degradacji lub korozji. Równoległy monitoring w połączeniu z regularną optoelektroniczną charakteryzacją pozwala na dogłębną ocenę niezawodności. Testy te są również przydatne do porównywania wafli przetwarzanych na różne sposoby, np. przy różnych pasywacjach.

Ponieważ specyfikacja badań wymaga zazwyczaj przepływu prądu o stałej wartości, inżynierowie z RoodMicrotec zaprojektowali i zbudowali inteligentne źródła prądu, które automatycznie dostosowują prąd przy zmianie oporu. Eliminuje to konieczność codziennej ręcznej regulacji podczas testów, które mogą trwać miesiącami. Dzięki równoległemu wykorzystaniu wielu źródeł prądu, w tym samym teście można zrealizować różne parametry. Każde źródło prądu dostarcza maksymalnie 50 V i 15 mA. Natomiast przy wykorzystaniu aktywnego chłodzenia możliwe jest osiągnięcie nawet 100 mA.

W testach THB zwykle stosuje się małe prądy, aby zapobiec nagrzewaniu się elementów. Pozwala to utrzymać oczekiwany poziom wilgotności, ponieważ głównym celem jest zbadanie stopnia, w jakim elementy te korodują w wilgotnych warunkach.

Fot. 2. Źródło prądowe do testów THB

Test HTRB

HTRB (High Temperature Reverse Bias) jest testem obciążeniowym, który jest szczególnie interesujący dla fotodiod. Można go użyć do sprawdzenia, jak prąd ciemny wzrasta w wysokich temperaturach i tym samym jak cierpi czułość diod. Na potrzeby tych testów firma RoodMicrotec przygotowuje dedykowane płytki drukowane. Służą jako nośniki dla elementów, które muszą wytrzymać temperatury do 200°C (fotografia 3).

• Optyczna transmisja danych i zastosowania czujników w sektorze automotive wymagają wysoce niezawodnych elementów półprzewodnikowych.
• Przyspieszone badanie cyklu życia pozwala na szybką ocenę niezawodności.
• Klimatyczne testy obciążeniowe łączą w sobie temperaturę, wilgotność i prąd, symulując kilka lat pracy w ciągu kilku tygodni.
• Dzięki inteligentnemu sterowaniu, kompleksowemu monitorowaniu i najnowocześniejszej charakterystyce optoelektronicznej, RoodMicrotec generuje znaczącą wartość dodaną w porównaniu z klasycznymi testami niezawodności.

Fot. 3. Odporna na wysokie temperatury płytka drukowana z 64 elementami w obudowach TO przygotowana do testów HTRB

W pełni zautomatyzowane badanie charakterystyk optycznych

Pomiar setek laserów VCSEL lub fotodiod może być monotonny, czasochłonny i ostatecznie kosztowny. Z tego powodu firma RoodMicrotec stworzyła stację pomiarową, która w pełni automatycznie charakteryzuje jednocześnie kilkadziesiąt elementów VCSEL. Wykonuje się to przy użyciu tego samego oprzyrządowania, które zasila elementy znajdujące się już w próbie wilgotności. Dzięki temu nie ma konieczności ich wyjmowania i ponownego wkładania.

Na początku i na końcu testów zazwyczaj przeprowadzamy dogłębne badania charakterystyk. W tym celu mierzony jest rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez laser VCSEL, a także moc optyczną i charakterystykę. Dla fotodiod mierzymy wrażliwość widmową, a także prąd ciemny przy różnych napięciach i natężeniu światła.

W przypadku fotodiod jedynym rozwiązaniem pozostaje często pomiar ręczny, ponieważ trzeba wykonać zarówno pomiary prądu jasnego jak i ciemnego. Wymaga to kilku kroków, których nie można zautomatyzować w ramach stanowiska wykonanego przez firmę RoodMicrotec. Do tego dochodzi wyjątkowa czułość pomiaru aż do zakresu femtamperowego, którą może zapewnić jedynie obecność operatora (fotografia 4).

Fot. 4. Stacja pomiarowa dla fotodiod. Na dole znajduje się badana fotodioda, na górze – źródło światła podczerwonego. Pomiary ciemnych prądów zrealizowano za pomocą przysłon

Testy ESD

Wszystkie elementy optoelektroniczne są w różnym stopniu wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne (ESD – ElectroStatic Discharge). W związku z tym konieczne jest podjęcie środków w trakcie użytkowania diod, aby zapobiec uszkodzeniom. Z reguły określa się wartości progowe dla ekspozycji na ESD, poniżej których uszkodzenie jest prawie niemożliwe. Celem testów ESD jest określenie tej wartości progowej. W ramach swoje oferty firma RoodMicrotec oferuje także zautomatyzowane testy ESD komponentów optoelektronicznych.

Standardy

Wykonywanie poszczególnych testów oparto na międzynarodowych standardach, takich jak IEC, JEDEC czy MIL. Przy definiowaniu programu testowego i warunków testowych zaleca się stosowanie uznanego standardu kwalifikacji dla danego obszaru zastosowania. Telcordia GR-468-CORE jest światowym standardem dla komponentów optoelektronicznych, w szczególności dla zastosowań telekomunikacyjnych. Norma ta określa warunki testowe dla kompleksowych badań wiarygodności i ustanawia wytyczne, na podstawie których należy dokonać znaczącego wyboru testów i warunków testowania. Celem jest zapewnienie, aby produkt wykazywał wysoki poziom niezawodności w eksploatacji przez cały przewidziany okres jego użytkowania. Klienci mogą być również wspierani w definiowaniu warunków dla opisanych powyżej testów starzenia w innych obszarach zastosowań, takich jak przemysł motoryzacyjny czy lotniczy.

Analizy usterek

Badania wiarygodności obejmują również analizy usterek. Tylko w ten sposób można ustalić przyczynę awarii wadliwych elementów. RoodMicrotec dysponuje dobrze wyposażonym działem analizy usterek. Jest on w stanie określić przyczyny awarii elementów lub zespołów za pomocą wielu różnych metod badawczych.

Podsumowanie

Komunikacja optyczna i technologia sensorów wymagają wysoce niezawodnych komponentów półprzewodnikowych, które podlegają ciągłemu rozwojowi. Aby dotrzymać temu kroku, dział Optoelektroniki i Innowacji RoodMicrotec opracowuje inteligentne i innowacyjne testy dla komponentów optoelektronicznych. Łącząc klasyczne testy warunków klimatycznych z nowoczesnym sprzętem i oprogramowaniem monitorującym, oferujemy naszym klientom znaczącą wartość dodaną w postaci informacji i danych statystycznych. Ponadto, dzięki wieloletniemu doświadczeniu, nasi eksperci mogą zaoferować szeroki zakres usług dla wszystkich typów komponentów półprzewodnikowych.

Dodatkowe informacje na temat oferty firmy RoodMicrotec są dostępne polskiego przedstawiciela – w firmie Cedar Technologies – namiary poniżej.