光纖聲光調(diào)制器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法研究

劉良芳，張 俊，吳 畏，藍(lán)駿峰，張靈舒

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所, 重慶 400060)

光纖聲光調(diào)制器可以通過光調(diào)制、光移頻等實(shí)現(xiàn)光束在時(shí)間上控制和空間上切換，廣泛應(yīng)用于激光通信、激光制導(dǎo)與信息對(duì)抗等多種武器裝備系統(tǒng)中，是光纖水聽器、光纖制導(dǎo)與光纖激光器等多種光通信系統(tǒng)的核心器件。

光纖聲光調(diào)制器應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，工作容錯(cuò)率低，其可靠性與穩(wěn)定性直接影響光通信系統(tǒng)的工作性能。光纖聲光調(diào)制器設(shè)計(jì)、工藝復(fù)雜，部分工藝難度較大，長期穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致器件失效率不滿足型號(hào)工程任務(wù)要求。由于缺乏系統(tǒng)的器件失效機(jī)理研究，導(dǎo)致器件針對(duì)性的可靠性設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)無從談起，例如器件插入損耗指標(biāo)在高低溫工作時(shí)明顯惡化，而具體影響高低溫插入損耗指標(biāo)的因素和原因還不清楚，無法開展準(zhǔn)確有效的可靠性設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)。目前的失效機(jī)理分析主要采取對(duì)器件失效后進(jìn)行失效分析或者器件使用時(shí)自然與工作環(huán)境條件下的元器件與原材料影響分析兩種方式開展，對(duì)于高可靠器件而言，其失效率較低，失效通常需要在長期使用或者較惡劣環(huán)境工作中才會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致進(jìn)行器件失效分析的樣本量難以獲取，對(duì)器件失效機(jī)理的認(rèn)知難以全面掌握。而采用元器件、原材料環(huán)境影響分析無法對(duì)元器件、原材料工藝過程以及機(jī)械、電路耦合進(jìn)行準(zhǔn)確分析，無法提供準(zhǔn)確有效的器件可靠性設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)支撐。

為了快速暴露高可靠器件的失效模式，以研究器件失效機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)，目前國外內(nèi)主要采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法進(jìn)行器件設(shè)計(jì)工藝缺陷的快速暴露，其中姜同敏[1]、李彩霞[2]、彭海鑫[3],易難[4],曹順安[5],范志鋒[6],趙艷濤[7]，王學(xué)孔[8]等人分別對(duì)航空設(shè)備、航天設(shè)備、機(jī)載設(shè)備、電源等產(chǎn)品進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的探索與研究，在較短的周期內(nèi)取得了預(yù)期的效果。

因此，針對(duì)典型光纖聲光調(diào)制器(XX29型),分析確定器件薄弱環(huán)節(jié)與相應(yīng)敏感應(yīng)力，結(jié)合器件技術(shù)規(guī)范相關(guān)要求，研究光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)方法，制定光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)剖面，為快速高效確定器件主要失效模式與失效機(jī)理提供可行的方案，是光纖聲光調(diào)制器可靠性設(shè)計(jì)工藝提升的有效方法，對(duì)類似器件可靠性改進(jìn)與提升有著非常重要的意義與急迫的現(xiàn)實(shí)需求。

1 確定典型應(yīng)用下XX29光纖聲光調(diào)制器的薄弱環(huán)節(jié)

為了確定光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)[9]，必須對(duì)器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能分析，確定器件工作原理以及選用的主要元器件、原材料等，結(jié)合典型應(yīng)用環(huán)境下元器件、原材料故障概率,通過FTA方法確定光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)。

XX29光纖聲光調(diào)制器主要有驅(qū)動(dòng)器、體波聲光器件與光纖耦合系統(tǒng)組成，如圖1所示，其中驅(qū)動(dòng)器提供調(diào)制器工作所需的射頻信號(hào)，體波聲光器件對(duì)射頻信號(hào)與輸入光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，輸出一個(gè)偏轉(zhuǎn)光信號(hào)，為整機(jī)提供對(duì)比光信號(hào)。

以航空、航海應(yīng)用環(huán)境，針對(duì)XX29光纖聲光調(diào)制器功能結(jié)構(gòu)開展FTA分析，以器件產(chǎn)品失效為頂事件，建立故障樹分析圖，如圖2所示。

根據(jù)圖2故障樹分析可知，XX29光纖聲光調(diào)制器在機(jī)載、艦載環(huán)境中可能發(fā)生的主要失效包括光纖準(zhǔn)直器失效、光準(zhǔn)直器裝調(diào)位移失效、換能器變形碎裂失效、聲光晶體碎裂變形失效、壓焊層變形失效、驅(qū)動(dòng)器中的元器件失效與電路開、短路失效等等。由于產(chǎn)品工藝較為復(fù)雜，尤其是聲光晶體與換能器的壓焊工藝與光纖耦合工藝，其長期穩(wěn)定性與可靠性較差，根據(jù)器件用元器件失效率預(yù)計(jì)，結(jié)合2010-2015年XX29光纖聲光調(diào)制器使用失效情況統(tǒng)計(jì)分析，可以初步確定光準(zhǔn)直器裝調(diào)位移失效、與壓焊層變形失效是其中失效概率最大的，其次是換能器與聲光晶體的碎裂變形失效，失效概率相對(duì)最小的是光準(zhǔn)直器失效、元器件失效以及電路開短路失效。因此，確定光纖聲光調(diào)制器在航空、航海典型應(yīng)用環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)為壓焊層變形以及光準(zhǔn)直器裝調(diào)位移。

2 確定XX29光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)敏感應(yīng)力

XX29光纖聲光調(diào)制器在航空、航海應(yīng)用環(huán)境下的主要薄弱環(huán)節(jié)有聲光晶體壓焊層以及光纖準(zhǔn)直器裝調(diào)，其失效將直接導(dǎo)致調(diào)制器插入損耗超出標(biāo)稱值，引起器件功能失效。根據(jù)調(diào)制器使用失效時(shí)環(huán)境影響分析，結(jié)合器件用元器件、原材料與工藝分析確定XX29光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)敏感應(yīng)力[10]。

航空、航海用XX29使用壽命器件主要?dú)v經(jīng)有振動(dòng)、溫度、低氣壓、鹽霧以及濕度影響[11]。結(jié)合XX29光纖聲光調(diào)制器可以確定其主要的環(huán)境效應(yīng)如表1所示。

XX29光纖聲光調(diào)制器選用的元器件主要包含各類電阻、電容、晶振、電源、比較器、運(yùn)放器、光纖準(zhǔn)直器以及耦合器等，采用的原材料主要包括氧化碲晶體、有機(jī)硅導(dǎo)熱膠、鈮酸鋰晶片等。

主要工藝有壓焊、減薄、表電極蒸發(fā)、點(diǎn)焊、光纖耦合以及裝配等，其中壓焊與光纖耦合是薄弱環(huán)節(jié)。壓焊工藝采用真空壓焊，在真空條件下對(duì)需要粘接的兩種晶體表面淀積軟金屬薄膜，保持在常溫和高真空條件下壓合，通過表面金屬分子的遷移，使兩個(gè)表面的金屬達(dá)到焊接的目的，從而達(dá)到換能器晶片與聲光晶體粘接為一個(gè)整體。光纖耦合是利用高精度光纖調(diào)整裝置和高靈敏度光功率計(jì)，對(duì)已經(jīng)選定的光纖準(zhǔn)直器的位置和角度進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，使光束位于聲光塊體最高衍射效率的位置，并且兩只光纖準(zhǔn)直器模場(chǎng)最大限度的重合，以達(dá)到損耗最低的要求，同時(shí)需要旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器，使得準(zhǔn)直器能夠軸對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)偏振光的輸出。

結(jié)合表1與XX29光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)分析，光纖準(zhǔn)直器與耦合器的主要失效應(yīng)力為振動(dòng)應(yīng)力，主要失效模式為光學(xué)器件失調(diào)引起的光學(xué)參數(shù)退化。而壓焊工藝的主要失效應(yīng)力包括振動(dòng)應(yīng)力與溫度應(yīng)力，主要失效模式分為溫度應(yīng)力引起的壓焊材料變形、換能器晶體與聲光晶體熱匹配不一致導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疏松失效以及振動(dòng)應(yīng)力引起的壓焊層結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂。因此XX29光纖聲光調(diào)制器薄弱環(huán)節(jié)與敏感應(yīng)力對(duì)應(yīng)表如表2所示。

表1 典型應(yīng)用環(huán)境的主要效應(yīng)分析

3 確定XX29光纖聲光調(diào)制器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目與條件

3.1 研究確定光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目

光纖聲光調(diào)制器在水陸空裝備中都有廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用環(huán)境有車載、彈載、機(jī)載、艦載等，各種應(yīng)用環(huán)境下失效模式較多，各種應(yīng)力條件下失效機(jī)理也較為復(fù)雜。為了在保持失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)分析產(chǎn)品的失效機(jī)理，必須根據(jù)光纖聲光調(diào)制器環(huán)境影響效應(yīng)表，研究確定各失效模式對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目，通過相應(yīng)項(xiàng)目的試驗(yàn)分析失效模式對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理。

根據(jù)典型應(yīng)用環(huán)境下光纖聲光調(diào)制器環(huán)境效應(yīng)表，分析確定導(dǎo)致產(chǎn)品失效的主要環(huán)境應(yīng)力[10]，例如溫度、機(jī)械應(yīng)力等，以及導(dǎo)致產(chǎn)品失效的綜合環(huán)境應(yīng)力，以此確定開展強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目類型。由于材料熱匹配性引起的聲光材料微小形變會(huì)導(dǎo)致聲光晶體尺寸偏離設(shè)計(jì)值，使產(chǎn)品插入損耗增大引起失效；機(jī)械應(yīng)力殘余或者使用時(shí)振動(dòng)或沖擊會(huì)影響焊點(diǎn)可靠性和鍵合層穩(wěn)定性，使產(chǎn)品的電連接與鍵合層厚度產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無法滿足技術(shù)要求等等，根據(jù)表2分析可知，溫度、機(jī)械應(yīng)力是產(chǎn)品失效的主要影響因素。因此，初步確定強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目包括溫度(高溫、低溫)、振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)，部分故障或失效只有綜合應(yīng)力才能激發(fā)，需要設(shè)計(jì)綜合應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)，如消光比異常的失效模式與失效機(jī)理可能需要設(shè)計(jì)高溫-電應(yīng)力綜合強(qiáng)化試驗(yàn)進(jìn)行激發(fā)與證實(shí)。

3.2 研究確定光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)條件

根據(jù)上述確定的試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合光纖聲光調(diào)制器技術(shù)規(guī)范要求確定敏感應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。對(duì)于強(qiáng)化試驗(yàn)來說，主要包括試驗(yàn)起始條件、終止條件、應(yīng)力強(qiáng)度變化以及各階段保溫時(shí)間等等，以便試驗(yàn)?zāi)軌蛟诒３质C(jī)理的基礎(chǔ)上較短時(shí)間內(nèi)完成既定的激發(fā)效果。

為了盡可能準(zhǔn)確高效地激發(fā)光纖聲光調(diào)制器在各敏感應(yīng)力條件下的失效，獲取產(chǎn)品相應(yīng)敏感應(yīng)力條件下的失效極限。必須針對(duì)光纖聲光調(diào)制器技術(shù)要求開展溫度、振動(dòng)等摸底試驗(yàn)來確認(rèn)產(chǎn)品的工作極限，結(jié)合產(chǎn)品用材料、元器件等工作時(shí)溫度、振動(dòng)要求的上限與下限，確定強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)條件上限與下限。試驗(yàn)起始條件可按技術(shù)規(guī)范要求的上限與下限確定，例如高溫步進(jìn)可采用50 ℃作為起始溫度，低溫步進(jìn)可采用-20 ℃作為起始溫度。為保證失效極限應(yīng)力確定的準(zhǔn)確性與高效性，試驗(yàn)強(qiáng)度變化(步長)可按較低應(yīng)力階段高強(qiáng)度，較高應(yīng)力階段強(qiáng)度較低的方式進(jìn)行施加。技術(shù)規(guī)范-工作極限時(shí)，工作極限-破壞極限時(shí)分別按表3所示開展。

表3 XX29光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施要素

4 制定XX29光纖聲光調(diào)制器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)方案[10]是產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)的指導(dǎo)性文件，包括各應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)樣本量確定、測(cè)試指標(biāo)、測(cè)試間隔時(shí)間、失效判據(jù)以及試驗(yàn)終止條件等要素的確定，是光纖聲光調(diào)制器失效準(zhǔn)確激發(fā)以及失效機(jī)理有效驗(yàn)證與分析的重要依據(jù)。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)結(jié)合試驗(yàn)應(yīng)力交互影響確定試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施順序，盡可能以較小的樣本量激發(fā)更多的失效。

敏感應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)分組初步確定如表4所示。

表4 強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施要素

試驗(yàn)剖面應(yīng)根據(jù)光纖聲光調(diào)制器強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施要素表，結(jié)合各試驗(yàn)項(xiàng)目中試驗(yàn)條件的確定而建立，以敏感應(yīng)力確定強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目施加應(yīng)力，技術(shù)規(guī)范要求的應(yīng)力極限為起始試驗(yàn)條件，摸底試驗(yàn)確定工作極限為中間應(yīng)力強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，結(jié)合表4中應(yīng)力強(qiáng)度變化(步長)確定強(qiáng)化試驗(yàn)的強(qiáng)度變化，根據(jù)失效判據(jù)確定光纖聲光調(diào)制器失效應(yīng)力極限也即破壞極限和試驗(yàn)終止時(shí)間，分別建立高溫步進(jìn)、低溫步進(jìn)、溫度循環(huán)步進(jìn)、振動(dòng)步進(jìn)與高溫-振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)剖面[10]。如圖3～圖6所示。

根據(jù)試驗(yàn)剖面與強(qiáng)化試驗(yàn)要素表編制試驗(yàn)方案[12]，結(jié)合可靠性試驗(yàn)實(shí)施的一般要求，確定試驗(yàn)流程如圖7所示。

5 結(jié)論

本文采用對(duì)器件進(jìn)行主動(dòng)激發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證的思路，根據(jù)器件FTA分析確定的薄弱環(huán)節(jié)以及器件工作或貯存環(huán)境影響分析，確定器件的薄弱環(huán)節(jié)以及對(duì)應(yīng)的敏感應(yīng)力，結(jié)合器件性能的工作環(huán)境容限與要求，制定對(duì)應(yīng)條件下的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，為快速高效準(zhǔn)確地驗(yàn)證光纖聲光調(diào)制器失效模式與失效機(jī)理提供了思路，最終滿足器件可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)要求。該方法程序較為簡單，實(shí)施方便，采用樣本少、成本低，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，可為新研或改型器件提供失效模式與失效機(jī)理驗(yàn)證的思路與參考。