CN103293423B

CN103293423B - 高温环境下光电模块性能测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN103293423B
Application number: CN201310246502.8A
Authority: CN
Inventors: 舒勤; 姜振超; 李旻; 杨书佺; 黄宏光; 顾益双
Original assignee: Sichuan University; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Current assignee: Sichuan University; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103293423A

Abstract

本发明公布了高温环境下光电模块性能测试装置及测试方法，包括高温烤箱，在高温烤箱内安装有内部测试板，还包括外部测试板，内部测试板与外部测试板连接，外部测试板的输出端传输至计算机。本发明直接对整个光电模块进行加温实验，采集光电模块的5个关键参数在温度变化下的采样数据，对采样数据利用阿伦尼斯模型进行计算，从而评估光电模块在正常情况下的寿命；且不需要剥离出LED即可进行测试，方便实验的成规模应用；最佳的测试温度对应的加速因子可以取得最大值，在此温度上进行实验，其测试时间实际上远远低于在标准规定的温度下进行测试所需的时间，测试时间往往只有原来的测试时间的5%左右，极大地缩短了测试时间。

Description

高温环境下光电模块性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉加速寿命试验领域的实验装置，具体是指高温环境下光电模块性能测试装置及测试方法。

背景技术

加速H寿命H试验的统一定义最早由美罗姆航展中心于1967年提出，加速寿命试验是在进行合理H工程H及H统计H假设的基础上，利用与H物理H失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进行转换，得到产品在额定应力水平下的特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之，加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验，从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验H成本H。进行加速寿命试验必须确定一系列的参数，包括(但不限于)：试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场H环境H、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数(β<1表示早期故障，β>1表示耗损故障)。用加速寿命试验方法确定产品寿命，关键是确定加速因子，而有时这是最困难的，一般用以下两种方法：1、现有模型，现有模型有：Arrhenius模型、Coffin2Manson模型和Norris2Lanzberg模型等，使用现有模型比用试验方法来确定加速因子节省时间，并且所需样本少，但不是很精确，且模型变量的赋值较复杂；2、通过试验确定的模型(需要大量试验样本和时间)，若没有合适的加速模型，就需要通过试验导出加速因子，先将样本分成3个应力级别：高应力、中应力、低应力，定试验计划确保在每一个应力级别上产生相同的失效机理，这是确定加速因子较精确的方法,但需要较长的时间和较多样本。

由于光电模块是一个整体集合，其中包含许多电子元器件，其中以LED最为重要，是光电模块工作的核心器件，LED的可靠性直接关系到整个光电模块的可靠性。现有技术大多是以单独剥离出LED，在高温下进行测试并推导出其在正常情况下的寿命，以LED的寿命作为整个光模块的寿命。这样的方法虽然简单，但是忽视了光电模块作为一个整体，有可能会因为除了LED以外的内部其他器件的问题而达到寿命上限。

发明内容

本发明的目的在于提供高温环境下光电模块性能测试装置及测试方法，解决目前的以LED的可靠性来代替整个光电模块的可靠性存在的失真问题，达到测试整个光电模块的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

高温环境下光电模块性能测试装置，包括高温烤箱，在高温烤箱内安装有内部测试板，还包括外部测试板，内部测试板与外部测试板连接，外部测试板与计算机相连接；

所述外部测试板包括PCB电路安装板，还包括设置在PCB电路安装板上的I²C总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP，I²C总线多路复用器和模拟多路复用器的输入端与内部测试板连接，输出端与DSP连接，DSP的输出端与电平转换芯片连接；

所述的I²C总线多路复用器的输入端接收内部测试板输出的包含发送光功率、接收光功率、偏置电流、电压和温度的I²C信号并传输至DSP，模拟多路复用器的输入端接收，DSP将接收到的信号进行计算后通过电平转换芯片连接串口输出。

所述内部测试板包括n个SFP插座，n为大于1的自然数，这n个SFP插座的SDA、SCL、VCC三个管脚与金属端子连接，连接SDA和SCL的金属端子通过耐高温导线同时分别与I2C总线多路复用器、模拟多路复用器连接，I2C总线多路复用器、模拟多路复用器均与数字信号处理器DSP连接，数字信号处理器的输出端连接至电平转换芯片，电平转换芯片的输出端连接至上位机。本发明在使用时内部测试板放置在高温测试箱内，高温状态下光电模块的I2C诊断信号通过SFP插座传输给I2C总线多路复用器和模拟多路复用器，I2C总线多路复用器是一种综合***，通常包含一定数目的数据输入，n个地址输入，以二进制形式选择一种数据输入，I2C总线多路复用器有一个单独的输出，与选择的数据输入值相同，用于中等密度的自动化测试***，在自动测试***中配合台式数字万用表、信号发生器等各种测试仪器，实现在计算机控制***中的自动化测试，扩展仪器测试通道；模拟多路复用器的用途与总线多路复用器的作用类似，采集不同矢量的方向的输入信号并传递给数字信号处理器，数字信号处理器将采集到的模拟信号进行采样变成数字信号，并经过电平转换芯片转换后通过串口发送给上位机。

所述的SFP插座的SDA、SCL、VCC三个管脚与金属端子连接。具体地讲，SFP插座作为测试件的连接端口，在SFP插座上连接金属端子，具体的管脚为SDA、SCL、VCC，就可以测试光电模块的多个参数了。

所述外部测试板包括PCB电路安装板，还包括设置在PCB电路安装板上的I2C总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP，I2C总线多路复用器和模拟多路复用器的输入端与内部测试板连接，输出端与DSP连接，DSP的输出端与电平转换芯片连接。

本发明采用独立的电路安装板，可以与内部测试板进行分离，避免高温测试箱影响测试结果，I2C总线多路复用器接收内部测试板的输出信号，I2C总线多路复用器是一种综合***，通常包含一定数目的数据输入，n个地址输入，以二进制形式选择一种数据输入，总线多路复用器有一个单独的输出，与选择的数据输入值相同，用于中等密度的自动化测试***，在自动测试***中配合台式数字万用表、信号发生器等各种测试仪器，实现在计算机控制***中的自动化测试，扩展仪器测试通道，DSP接收到内部测试板输出的包含发送光功率、接收光功率、温度、SFP工作电压、SFP工作偏置电流这五个参数的I2C信号，并对包含这五个参数的I2C信号进行处理，由电平转换芯片通过串口输出。

所述的I2C总线多路复用器的输入端接收内部测试板输出的I2C信号并传输至DSP，模拟多路复用器的输入端接收监控到的内部测试板的时间信号并传输给DSP，DSP将接收到的时间信号与I2C总线多路复用器接收到的I2C信号进行同步。

还包括供电电源，供电电源分别与内部测试板上SFP插座的VCC管脚，总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP、电平转换芯片连接。采用独立电源对外部测试板的各个模块进行供电，可以将其与内部测试板的电源区别开，避免了外界温度对***的影响。

高温环境下光电模块性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：确定最佳测试温度和对应的最佳测试时间的步骤；根据确定的最佳测试温度和对应的最佳测试时间进行老化试验的步骤，其中确定最佳测试温度和对应的最佳测试时间包括以下步骤：

(A)实施光模块变温实验，测量并得到工作电流与温度的关系曲线，并拟合成数学函数；

所述步骤(A)包括以下步骤：

(A1)选取样品，对同一批次的SFP光模块进行随机抽样，样品数量不少于8个；

(A2)对步骤(A1)抽取的样品实施变温实验，利用光模块性能测试装置采集样本中LED器件的工作电流；

(A3)多次重复步骤(A2)所述变温实验，整理数据得到工作电流与温度的关系曲线，并拟合成数学函数，用以下分段函数表示：

I_{f} (T_{j}) = \{\begin{matrix} \frac{α}{T_{2} - T_{1}} (T_{j} - T_{1}), & T_{j} &Element; [T_{1}, T_{2}) \\ α, & T_{j} &Element; [T_{2}, T_{3}) \\ \frac{α}{T_{3} - T_{4}} (T_{j} - T_{4}), & T_{j} &Element; [T_{3}, T_{4}] \end{matrix}

其中，I_f为工作电流,T_j为任意加速温度对应的结温，α为最大工作电流，T₁为第一个过零点对应的结温，T₂为工作电流上升终点对应的结温，T₃为工作电流下降起点对应的结温，T₄为第二个过零点对应的结温，α>0，T₄＞T₃＞T₂＞T₁＞0；

(B)得到使加速因子取最大值的测试温度满足的方程；

所述步骤(B)包括以下步骤：

(B1)根据步骤(A3)测量得到的工作电流与温度变化的曲线，加速因

子的计算公式变为：

τ = \frac{I_{f} (T_{j})}{I_{f} (T_{j, 1})} e^{[\frac{E_{a}}{k} (\frac{1}{T_{j, 1}} - \frac{1}{T_{j}})]}

上式中，τ为加速因子，T_j，1表示正常工作温度条件下PN结的结温；T_j表示加速温度条件下PN结的结温，I_f(T_j，1)表示正常工作温度条件下的电流；I_f(T_j)表示加速温度条件下的电流，k为波耳兹曼常数，E_a为激活能；

(B2)利用加速因子τ对T_j求导数，并令结果为零，得到最佳测试温度方程：

\frac{{dI}_{f}}{d T_{j}} + I_{f} (T_{j}) \frac{E_{a}}{{kT}_{j}^{2}} = 0

该式中，I_f为工作电流；

(C)将步骤(A)得到的数学函数带入步骤(B)给出的方程，得到最佳测试温度和相应的测试时间。

《通信设备用的光电子器件的可靠性通用要求(GB/T 21194)》标准中规定了在高温下进行加速寿命试验的标准加速温度为85℃，需要测试5000h。目前的加速寿命试验中一般认为工作电流是恒定的，而申请人经过对SFP光模块进行变温实验发现工作电流是随温度变化的曲线，因此根据工作电流与温度的变化关系，来确定出LED加速寿命试验最佳测试温度，以加速因子为代价函数，利用阿伦尼斯模型和电流-温度关系，最终得到最佳测试温度和进行SFP光模块加速寿命试验所需的最小时间，以解决标准要求测试时间较长的问题。

LED是SFP光模块的核心器件，其输出光功率P的衰减是随通电工作时间t变化的慢退化过程,可表示成指数关系：

P＝P₀e^-βt

其中，β为退化系数。根据阿伦尼斯模型，退化系数β与任意温度下PN结的结温T_j有以下关系：

β = β_{0} I_{f} e^{- E_{a} / k T_{j}}

其中，β₀为常数；k为波耳兹曼常数；E_a为激活能，一般取0.5eV；I_f为工作电流。通常定义在结温T_j下LED器件输出光功率P下降到初始值P₀的50％时所需的时间为LED器件在结温T_j下的使用寿命，以L表示。因此，寿命L与PN结的结温T_j有以下关系：

L = - \frac{1 n 0.5}{β} = - \frac{1 n 0.5}{β_{0} I_{f} e^{- E_{a} / k T_{j}}}

以L₁表示正常工作温度条件下寿命，其相应退化系数为β₁，PN结的结温为T_j,1；L表示加速温度条件下的寿命,相应的退化系数为β，PN结的结温为T_j。

在目前的加速寿命试验中一般认为工作电流是恒定的，因此，正常工作温度条件下的寿命与加速温度条件下的寿命有以下关系：

L_{1} = \frac{β}{β_{1}} L = L e^{[\frac{E_{a}}{k} (\frac{1}{T_{j, 1}} - \frac{1}{T_{j}})]} = τL

其中，为加速因子，由于在加速寿命试验中T_j,1<T_j，由上式可以知道，在加速温度条件下的寿命小于正常工作温度条件下的寿命，因此可以缩短试验时间，同时，加速因子越大，老化试验所需的时间越少。本发明中步骤(A)是将测试过程中得到的温度、电流离散值进行模拟，并以数学模型的形式表示出来，可以用于后续的方法步骤中，从而得出最终的最佳测试温度。

申请人发现，当加速因子τ取最大值时可以最大限度的缩短加速寿命试验所需的时间，因此，加速因子取最大值对应的温度为最佳测试温度；使加速因子τ取最大值的测试温度需要满足两个条件：τ对T_j的一阶导数为0，τ对T_j的二阶导数为负，因此，利用加速因子τ对T_j求导数，并令结果为零，就可以得到最佳测试温度方程。

具体地讲，所述步骤(C)包括以下步骤：

(C1)将步骤(A3)得到的函数求解一阶导数，其值为工作电流与温度的关系曲线的斜率，T_j在[T₁,T₂)之间时，曲线的斜率为正数；T_j在[T₂,T₃)之间时，曲线的斜率为零；T_j在[T₃,T₄]之间时，曲线的斜率为负数；

(C2)将步骤(C1)获得的斜率带入步骤(B2)得到的最佳测试温度方程，并求解，当T_j在[T₁,T₃)之间时，方程无解；当T_j在[T₃,T₄]之间取值时，

{\dot{T}}_{j} = \frac{- E_{a} + \sqrt{E_{a}^{2} + 4 k E_{a} T}}{2 k};

(C3)确定最佳测试温度，当时，不在[T₃,T₄]之间时，最佳测试温度为T₃；当时，且在[T₃,T₄]之间时，最佳测试温度为

(C4)利用所述步骤(B1)给出的公式，计算最佳测试温度下的加速因子，利用最佳测试温度对应加速因子与标准测试温度下加速因子的比值，计算出测试时间。

当测试完得到最佳测试温度后，可以利用步骤(B1)得到的加速因子公式，得到最佳测试温度下的加速因子；利用最佳测试温度对应加速因子与标准测试温度下加速因子的比值，计算测试时间。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明高温环境下光电模块性能测试装置，采用总线多路复用器接收内部测试板的输出信号，总线多路复用器是一种综合***，通常包含一定数目的数据输入，n个地址输入，以二进制形式选择一种数据输入，总线多路复用器有一个单独的输出，与选择的数据输入值相同，用于中等密度的自动化测试***，在自动测试***中配合台式数字万用表、信号发生器等各种测试仪器，实现在计算机控制***中的自动化测试，扩展仪器测试通道，DSP接收到内部测试板输出的发送光功率、接收光功率、温度、SFP工作温度、SFP工作电流这五个信号，并对这五个信号进行处理，由串口转换器输出；直接对整个光电模块进行加温实验，采集光电模块的5个关键参数在温度变化下的采样数据，对采样数据利用阿伦尼斯模型进行计算，从而评估光电模块在正常情况下的寿命；避免了以LED的寿命来作为光电模块寿命的不准确性，且不需要剥离出LED即可进行测试，方便实验的成规模应用；

2本发明高温环境下光电模块性能的测试方法，申请人在对LED加速老化实验时经过长期的观察发现了现有的测试方法存在的问题，提出了存在一个最佳的测试温度使得加速寿命试验所需的测试时间达到最小的观点，并根据大量离散的数据进行分析，采用将离散的电流-温度进行数据处理后形成数学模型，根据数学模型计算得到的最佳温度。经反复测试实验，申请人发现最佳的测试温度对应的加速因子可以取得最大值，在此温度上进行实验，其测试时间实际上远远低于在标准规定的温度下进行测试所需的时间，测试时间往往只有原来的测试时间的5％左右，极大地缩短了测试时间。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明内部测试板原理框图；

图3为本发明外部测试板原理框图；

图4为本发明实施例中测试得到的电流与温度关系曲线图；

图5为本发明加速因子τ与测试温度的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至3所示，本发明高温环境下光电模块性能测试装置，高温环境下光电模块性能测试装置，包括高温烤箱，在高温烤箱内安装有内部测试板，还包括外部测试板，内部测试板与外部测试板连接，外部测试板输出信号传输至计算机；其中内部测试板包括SFP插座，SFP插座的SDA、SCL、VCC三个管脚与金属端子连接，SDA总线和SCL总线与光模块实现读取通信，VCC提供稳定电源。有n个SFP插座，n为大于1的自然数，n个SFP插座同时分别与I2C总线多路复用器、模拟多路复用器连接，其中I2C总线多路复用器采用PCA954712C型号，模拟多路复用器采用ADG506AKR型号，I2C总线多路复用器、模拟多路复用器均与数字信号处理器连接，数字信号处理器采用TMS320F2802PZ100DE 32位信号处理器，数字信号处理器的输出端连接至电平转换芯片，电平转换芯片型号为MAX232，电平转换芯片的输出端通过串口连接至上位机；外部测试板包括PCB电路安装板，还包括设置在PCB电路安装板上的I2C总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP，I2C总线多路复用器和模拟多路复用器的输入端与内部测试板连接，输出端与DSP连接，DSP的输出端与电平转换芯片连接，I2C总线多路复用器的输入端接收内部测试板输出的包含发送光功率、接收光功率、温度、SFP工作电压和SFP工作偏置电流五个参数的信号并传输至DSP，模拟多路复用器的输入端接收监控到的内部测试板的时间信号并传输给DSP，DSP将接收到的时间信号与I2C总线多路复用器接收到的I2C信号进行同步；还有供电电源，供电电源分别与I2C总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP、电平转换芯片连接；计算机首先根据MODBUS协议读取光电采集器传输来的数据；然后根据SFF8472协议恢复出数据里光电模块的五个工作参数；再将数据存储到数据库并显示，具体流程如下：串口接收到数据以后，需要完成响应报文解析、光电模块参数解码、光电模块状态判决和寿命预测，响应报文解析主要完成对接收到的串行链路上的MODBUS报文的地址域检测、CRC校验、功能码核对；串口接收到MODBUS报文以后首先进行地址域检验，若地址域正确，则继续报文解析；否则，统计地址域错误。其次，进行CRC校验，若正确则继续；否则，统计CRC校验错误，最后进行功能码校验，若正确则进入工程数据恢复；否则，统计功能码错误，光电模块参数解码按照8472协议的编码规则进行解码然后存储到数据库并显示。

在安华高HFBR-57E5APZ型号的产品测试中进行，按照以下步骤进行：

(A1)选取样品，对同一批次的SFP光模块进行随机抽样，样品数量为8个；

I_{f} (T_{j}) = \{\begin{matrix} \frac{α}{T_{2} - T_{1}} (T_{j} - T_{1}), & T_{j} &Element; [T_{1}, T_{2}) \\ α, & T_{j} &Element; [T_{2}, T_{3}) \\ \frac{α}{T_{3} - T_{4}} (T_{j} - T_{4}), & T_{j} &Element; [T_{3}, T_{4}] \end{matrix}

其中，T_j为结温、I_f为工作电流。T₁＝128K；T₂＝393K；T₃＝443K；T₄＝463K；

α＝85.5mA。

(B1)根据步骤(A3)测量得到的工作电流与温度变化的曲线，加速因子的计算公式为：

τ = \frac{β}{β_{1}} = \frac{I_{f} (T_{j})}{I_{f} (T_{j, 1})} e^{[\frac{E_{a}}{k} (\frac{1}{T_{j, 1}} - \frac{1}{T_{j}})]}

上式中，τ为加速因子，T_j,1表示正常工作温度条件下PN结的结温；T_j表示加速温度条件下PN结的结温，I_f(T_j，1)表示正常工作温度条件下的电流；I_f(T_j)表示加速温度条件下的电流；

\frac{{dI}_{f}}{d T_{j}} + I_{f} (T_{j}) \frac{E_{a}}{{kT}_{j}^{2}} = 0

该式中，k为波耳兹曼常数，E_a为激活能，I_f为工作电流；

{\dot{T}}_{j} = \frac{- E_{a} + \sqrt{E_{a}^{2} + 4 k E_{a} T}}{2 k} 431 K;

(C3)确定最佳测试温度，由于不在[T₃,T₄]之间时，最佳测试温度的结温为T₃＝443K。由于结温和SFP光模块的外壳温度相差大约10℃，因此最佳测试温度应选择为T＝443-10-273＝160℃。

(C4)当测试完得到最佳测试温度后，可以利用步骤(B1)得到的加速因子公式，得到最佳测试温度下的加速因子为171；利用最佳测试温度对应加速因子与标准测试温度下加速因子的比值，计算测试时间。

如图4至5所示，经过对比试验得出的对比表格如下，几种不同环境温度对应的加速因子和测试时间：

环境温度T/℃	结温T _j/K	电流I_f/mA	加速因子τ	所需时间h
					175	458	15	42.7	1041
160	443	84.7	171	259
					85	368	76.3	8.86	5000

本发明确定的最佳测试温度(160℃)下进行SFP光模块加速寿命试验所需时间为259h，约为标准测试温度(85℃)下的5％，极大地减少了测试时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.高温环境下光电模块性能测试装置，其特征在于：包括高温烤箱，在高温烤箱内安装有内部测试板，还包括外部测试板，内部测试板与外部测试板连接，外部测试板与计算机相连接；

2.根据权利要求1所述高温环境下光电模块性能测试装置，其特征在于：还包括供电电源，供电电源分别与内部测试板上SFP插座的VCC管脚，总线多路复用器、模拟多路复用器、DSP、电平转换芯片连接。

3.高温环境下光电模块性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：确定最佳测试温度和对应的最佳测试时间的步骤；根据确定的最佳测试温度和对应的最佳测试时间进行老化试验的步骤，其中确定最佳测试温度和对应的最佳测试时间包括以下步骤：

所述步骤(A)包括以下步骤：

I_{f} (T_{j}) = \{\begin{matrix} \frac{α}{T_{2} - T_{1}} (T_{j} - T_{1}), & T_{j} &Element; [T_{1}, T_{2}) \\ α & T_{j} &Element; [T_{2}, T_{3}) \\ \frac{α}{T_{3} - T_{4}} (T_{j} - T_{4}), & T_{j} &Element; [T_{3}, T_{4}) \end{matrix}

其中，I_f为工作电流,T_j为任意加速温度对应的结温，α为最大工作电流，T₁为第一个过零点对应的结温，T₂为工作电流上升终点对应的结温，T₃为工作电流下降起点对应的结温，T₄为第二个过零点对应的结温，α>0，T₄＞T₃＞T₃＞T₁＞0；

(B)得到使加速因子取最大值的测试温度满足的方程；

所述步骤(B)包括以下步骤：

子的计算公式变为：

\frac{I_{f} (T_{j})}{I_{f} (T_{j, 1})} e^{[\frac{E_{a}}{k} (\frac{1}{T_{j, 1}} - \frac{1}{T_{j}})]}

\frac{{dI}_{j}}{{dT}_{j}} + I_{j} (T_{j}) \frac{E_{a}}{{kT}_{j}^{2}} = 0

该式中，I_f为工作电流；

4.根据权利要求3所述高温环境下光电模块性能的测试方法，其特征在于，所述步骤(C)包括以下步骤：

{\overset{\cdot}{T}}_{j} = \frac{{- E}_{a} + \sqrt{E_{a}^{2} + {4 kE}_{a} T}}{2 k};