基于HALT方法的光纤陀螺用Y波导可靠性试验研究

石运来,向 强,于怀勇,冯 喆,吴衍记

(北京自动化控制设备研究所,北京 100074)

0 引言

干涉型光纤陀螺具有体积小、质量小、精度范围广、无运动部件、可靠性高等优点,已经广泛应用于海、陆、空、天等领域[1-2]。目前的干涉型光纤陀螺采用的是以Y波导集成光学器件(以下简称“Y波导”)和保偏光纤为主的全数字闭环方案,Y波导在光纤陀螺中的作用是[3]:起偏、分束和合束、偏置调制等。Y波导作为光纤陀螺的核心部件,其可靠性对光纤陀螺的可靠性有很大影响。

国内外学者对Y波导的可靠性进行了研究。Kissa等[4]使用加速寿命的方法,证明了铌酸锂芯片在高温95 ℃条件下的寿命可达25年。霍尼韦尔公司采用温度冲击、振动等试验方法对Y波导的失效形式进行了可靠性分析。北京航空航天大学的杨德伟等[5]对Y波导的可靠性增长进行了研究,Y波导的活化能Ea取0.8 eV,推导出Y波导在85 ℃、相对湿度(relative humidity, RH)85%条件下正常工作500 h的寿命等效于在40 ℃、85%RH条件下 20 780 h 的寿命。吴琼瑶等[6]使用环境应力筛选的方法,将Y波导的成品率提高到93%以上,因此将环境应力筛选方法作为重要的可靠性保证措施。

但是上述使用的传统研究方法普遍存在测试周期长、测试成本高等缺点,需要一种降低测试时间和测试成本的方法来进行Y波导可靠性研究。高加速寿命试验(highly accelerated life test,HALT)的概念是美国科学家霍布斯(Gregg K. Hobbs)在20世纪80年代提出的[7],是为了在产品的设计阶段,快速有效地发现设计和制造工艺的薄弱环节,并且加以改进的一项试验技术。

国外对HALT的应用高度商业化,特别是电子产品的制造商,纷纷把HALT作为改进和优化产品以提高产品竞争力的重要技术手段[8-9]。在实际应用方面,1991年2月,Boeing公司分别采用军用规范方法和HALT方法进行飞机用电子机箱的制造,研究表明基于HALT方法可将产品的质量和尺寸降低30%,成本降低90%,可靠性也显著提升。

国内刘学斌、丁光雨等[10]对常规试验装备进行了摸底,获得两种型号继电器的低温操作极限为-70 ℃,高温操作极限为120 ℃,振动工作极限为50 Hz、30g。胡晓静、王海亮等[11]将HALT应用于继电保护装置的研究上,在研制过程中应用HALT进行优化改进,大大提升了产品的可靠性。瓦鑫、潘荣荣、吴佳燕等[12]介绍了HALT在灯具上的应用和灯具在HALT下的失效形式,试验结果表明受试品在短时间高应力作用下表现出的特性与产品在长时间低应力作用下表现出的特性是一致的,证明了使用HALT方法发现产品的设计和工艺缺陷是十分有效的。以上应用都证明了HALT方法的有效性,因此,引入HALT方法来快速开展Y波导的可靠性研究。目前暂无在光纤陀螺中应用HALT方法的案例报道,本文以光纤陀螺中的Y波导器件为基点,在Y波导可靠性研究中应用HALT方法,以此来快速地提升Y波导的可靠性。

1 HALT的理论与方法

对产品施加的负载超过产品强度额定值就会导致产品故障。在进行HALT时,使用的环境应力包括:低温、高温、温变速率和振动等[13],而进行HALT的常用方法是步进方法。使用步进应力可以通过逐步增大应力量值减小使用的样本量。HALT方法的基本参数:1)上(下)工作极限,上(下)工作极限是指高(低)于该极限的应力会使产品不能正常工作的应力范围,但是减小应力后产品可以正常工作;2)上(下)破坏极限,上(下)破坏极限是指高(低)于该极限的应力会使产品彻底失效的应力范围,即使将应力降低也不能恢复其功能。

1.1 温度应力

使用温度应力进行HALT时,首先测试器件的上、下工作温度极限与上、下破坏温度极限,并且在试验过程中对器件进行实时测量。在测试器件的温度极限过程中,以10 ℃作为一个台阶[14],温度变化速率不超过5 ℃/min,防止由于温度快速变化对器件产生影响。当器件处在某一台阶的温度时,器件的性能发生了退化,此时需要将温度逐步降低一个台阶,在每个台阶的温度环境下对器件的性能进行测量,若器件的性能可以恢复到正常范围,则此温度是器件的上工作温度极限;若将温度降至常温环境下,器件的性能仍未恢复,则此温度是器件的上破坏温度极限。确定两个极限后,需要对器件进行失效原因分析,确定薄弱环节,并对器件进行设计和工艺的改进,提升器件的可靠性。

在确定器件的上温度极限后,下一步的工作是测试器件的下温度极限。与测试上温度极限过程类似,以10 ℃为一个台阶,进行实时测量,若器件在某一台阶的温度下,器件的性能发生了退化,此时将温度逐步升高一个台阶,在每个台阶对器件进行一次测量,若器件性能恢复,则此温度是下工作温度极限;若器件性能未恢复,则此温度是下破坏温度极限。在测试下温度极限时,若器件处于-100 ℃环境下也没有发生失效,此时也停止试验,这是因为许多产品并没有低温破坏极限。

确定上、下破坏温度极限之后通常进行温变速率试验,选定的高低温界限在工作极限的前一个台阶。假定确定的高温工作极限是130 ℃,低温工作极限是-70 ℃,则温度范围选择-60 ℃～120 ℃。霍布斯对100多种产品进行了温度变化速率的试验,发现这些产品对温度变化速率并不敏感[15],因此在首次试验时采用最大的温变速率,如果有故障发生,再使用步进的方法确定产品对温变速率的敏感性。

1.2 振动应力

振动试验也需要确定工作极限和破坏极限。确定工作极限的目的是在后续的筛选过程中确定振动应力量值。使用的振动台最好是全自由度的振动台,即3个轴向和绕3个轴向的旋转方向。探索振动量值工作极限和破坏极限也使用步进应力进行测试。从5GRMS的随机振动开始,每次增加5GRMS,温度条件为常温,在每个振动量值上保持10 min。同时记录振动的工作上限和破坏上限。如果达到20GRMS及以上时,逐步将振动量值降低到2GRMS,低量值的振动是为了找到在高振动量值不能发现的异常现象,已经证明这种低量值、全轴向的振动可以发现那些在高振动量值发现不了的缺陷。

1.3 综合应力

综合应力是将两种或多种应力结合起来,共同施加,一般选择快速温度转换与步进振动相结合的方式。迈克莱恩(Harry W. McLean)[16]收集了采用上述5种方式进行HALT的47种产品试验数据,测试出来的缺陷占总缺陷的比例如图1所示。在经历了全部的HALT之后,要进行HALT验证,验证的目的是为了确保已经采取的措施纠正了原先的缺陷。

图1 不同环境下HALT缺陷

2 Y波导的HALT方法及试验结果

2.1 高温试验

根据GJB179A《计数抽样检验程序及表》在加速寿命试验样本为25,摸底边界条件在一般检验水平为Ⅱ时,即总样本数量为25,抽取5个样本作为摸底数量,当可接受质量水平为97.5%时,其中一个样品失效即代表此批次失效。首先测量了第一组5支Y波导常温下的相关参数,然后按照1.1节描述的过程进行试验,结合Y波导的实际应用环境,在确定高温工作极限和破坏极限时,以80 ℃作为起始温度,升温速率不超过5 ℃/min。在温度升到80 ℃时,恒温保持1 h,然后降温,同样温度变化速率不超过5 ℃/min,当恢复到25 ℃时,对Y波导进行性能测试,从降至25 ℃到完成测试过程的时间不超过0.5 h,以防应力作用被释放。完成测试后,将温度升温至90 ℃,恒温保持1 h,然后降温,对Y波导进行性能测试,直至确定Y波导的工作极限和破坏极限。整个温度变化过程中,用4只18B20测温芯片进行温度的监控,保证试验温度的准确性。实际的试验温度如图2所示。

图2 高温试验温度图

根据此Y波导厂家的出厂条件,规定试验截止条件:插入损耗(insertion loss, IL)变化量大于0.5 dB,分束比变化量大于3%,尾纤偏振串音大于-27 dB,半波电压变化量大于5%。达到上述截止条件的任意一条,试验终止,表1为试验过程中Y波导的部分性能参数。

表1 高温条件下Y波导的部分性能参数

在整个试验数据中,提取5支Y波导部分参数的最大值、平均值、最小值,从表中可以看到有2支波导的插入损耗变化量超过了0.5 dB,达到了规定的截止条件,半波电压降低了0.03～0.05 V之间,尾纤偏振串音有不同程度的增大,分束比也有增大的趋势。试验结果表明,150 ℃为高温破坏极限[17],130 ℃为高温工作极限。

注:所有的性能指标均在常温下测试。

2.2 高湿试验

选用第二组5支Y波导进行湿度的测试。首先测量常温时的性能参数,将波导放入湿度箱中,同时搭建好测试光路,设置试验条件为25 ℃,RH 95%,试验时间为24 h,保证Y波导处于湿润状态下进行性能测试。表2为高湿测试前后的性能参数对比。

表2 高湿条件下Y波导的部分性能参数

试验结果表明,在常温、RH95%的条件下,Y波导放置24 h后的参数变化并不大,没有达到规定的试验截止条件。由此判定,单独的湿度条件对Y波导的性能影响很小,因此,单独的高湿条件不能作为影响Y波导的主要环境因素。

2.3 温度快速变化

选用第三组5支Y波导进行快速变温试验,采用的温箱为双箱温箱,将高温箱升到110 ℃,低温箱降至-40 ℃,待2个温箱的温度都达到设定值时,打开隔板,低温箱中-40 ℃的冷空气进入到110 ℃的高温箱中,使其中的器件经历温度快速变化,温度变化速率可达30 ℃/min,重复4个循环,测试试验前后的性能参数,表3为试验数据。

表3 温度快速变化下Y波导的部分性能参数

试验结果表明,温度快速变化(30 ℃/min)条件下的Y波导参数变化很小,几乎没有影响,因此判定温度快速变化不是影响Y波导性能的主要环境因素。

2.4 高温下的HALT

根据上述3种环境应力对Y波导性能影响的结果,选用高温作为加速应力。将同一批次的200支波导分成25组,每组8支并编号,从每组抽选第3支作为样本,总计选取25支Y波导作为试验样本。由于高温主要影响Y波导性能参数中的分束比和插入损耗,因此将这2个参数作为失效判据,每8 h 对Y波导进行测试,试验共持续1 400 h,试验温度恒定在120 ℃,参考IEC 62005-2《光纤互联器件以及无源器件可靠性—第2部分:基于加速老化试验—温度和湿度试验可靠性的定量评估;稳态》,将失效判据改为插入损耗变化量大于1 dB,分束比变化量大于3%。图3(a)和(b)是1～8号Y波导插入损耗变化量和分束比变化图,图4(a)和(b)是9～17号Y波导插入损耗变化量和分束比变化图,图5(a)和(b)是18～25号Y波导插入损耗变化量和分束比变化图。图6是失效数量随着时间增长的趋势。

(a)

(a)

(a)

图6 波导失效数量随时间变化

试验数据显示,Y波导的插入损耗变化呈现线性变化趋势,有5支Y波导会有小段时间损耗值异常,后又恢复至线性区附近,所有Y波导的插入损耗变化值不超过3.5 dB;大部分的Y波导分束比的变化属于线性变化,有6支Y波导的分束比变化巨大,没有规律可循。

图6的试验数据显示,40 h前属于Y波导的早期失效阶段,40～1 120 h属于Y波导的本征失效阶段,1 120 h后属于Y波导的寿命尾期,符合浴盆曲线的特征。

2.5 浴盆曲线绘制及寿命预计

无论是电子器件还是机械器件,它们的失效率曲线一般都是“浴盆”形状[18]。这种失效率曲线被称为可靠性浴盆曲线。浴盆曲线有3个时间段,首先是在器件的早期使用阶段,失效率相对较高,这个时间段被称为早期失效阶段,对应的失效率为早期失效率(early failure rate,EFR);其次,在早期失效阶段后会出现一个失效率极低且稳定的时期,称为本征失效阶段,对应的失效率被称为本征失效率(intrinsic failure rate,IFR);最后,在本征失效阶段后会出现一个失效率急速上升的时期,称为耗尽(wear-out)阶段。器件的失效率一般为威布尔(Weibull)失效率[18],由此,可使用威布尔失效率进行浴盆曲线的绘制。威布尔失效率为

(1)

式中,λ(t)为失效率;β为形状参数;t63为特征失效时间;t为时间。

Y波导的3个失效阶段的数据在表4～表6列出。表4为Y波导早期失效的数据,早期的样本数量为25。表5为Y波导本征失效期的数据,本征失效期的样本数量为10,除去早期失效的15支波导。表6为波导耗尽期失效的数据,耗尽期的样本数量为5,除去早期失效的15支与本征失效期的5支波导。

表4 Y波导早期失效数据

表5 Y波导本征失效期数据

表6 Y波导耗尽期失效数据

以失效时间为自变量,威比特(welbits)为因变量,使用最小二乘法拟合,得到的2个参数a和b,可构成y=alnt+b的等式,其中a即为形状参数β,令等式中的y=0,即得到特征失效时间t63。将得到的β和t63代入式(1)中,即可得到对应的失效率函数,绘制出相应的失效率曲线,整体的失效率为3个时期失效率的代数和。早期失效率曲线、本征失效率曲线和耗尽失效率曲线如图7(a)、(b)、(c)所示,可靠性浴盆曲线如图8所示。

(a)

对Y波导的寿命估计采用阿伦纽斯(Arrhenius)模型,此模型是最典型、应用最广的加速模型[19],Arrhenius寿命计算模型见式(2)

(2)

式中:AF为加速因子;Ea为活化能;k为波尔兹曼常数,数值约为8.617×10-5eV/ ℃;T1为Y波导工作时的温度,单位为开尔文(K);T2为波导施加的加速温度,单位为开尔文(K)。BellCore GR-468-Core《Generic Reliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment》给出了Ea的推荐值为0.7 eV,根据式(2)可计算出120 ℃的加速因子约为726。由此可以推断25 ℃的寿命约为93年。

3 结论

针对高可靠长寿命的Y波导器件,采用HALT方法能有效地对其进行可靠性评估和寿命估计,主要结论如下。

1)探究3种环境因素(高温、高湿和温度快速变化)对Y波导性能的影响,测试的性能参数包含:插入损耗、分束比、尾纤偏振串音以及半波电压。试验结果显示,温度快速变化(30 ℃/min)和高湿条件(95%RH,24 h)对Y波导参数的影响并不明显,而高温(120 ℃以上)对Y波导性能影响非常明显,因此确定高温(120 ℃)条件作为加速条件,影响的主要参数是插入损耗以及分束比。

2)与加速寿命试验相比,HALT极大地缩短了测试时间,在120 ℃的温度下进行了不到2个月的时间即完成了对Y波导器件的寿命试验,并根据推荐的活化能值,采用Arrhenius模型估算出Y波导器件在25 ℃的条件下寿命为93年。

3)BellCore GR-468-Core只给出了活化能的推荐值,并没有给出推荐值是0.7 eV的具体原因,后续的工作将尝试对活化能的数值进行试验与估计。