光纖聲光調制器可靠性強化試驗方法研究

劉良芳，張 俊，吳 畏，藍駿峰，張靈舒

(中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060)

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

光纖聲光調制器應用環(huán)境復雜，工作容錯率低，其可靠性與穩(wěn)定性直接影響光通信系統(tǒng)的工作性能。光纖聲光調制器設計、工藝復雜，部分工藝難度較大，長期穩(wěn)定性不足，導致器件失效率不滿足型號工程任務要求。由于缺乏系統(tǒng)的器件失效機理研究，導致器件針對性的可靠性設計與工藝改進無從談起，例如器件插入損耗指標在高低溫工作時明顯惡化，而具體影響高低溫插入損耗指標的因素和原因還不清楚，無法開展準確有效的可靠性設計工藝改進。目前的失效機理分析主要采取對器件失效后進行失效分析或者器件使用時自然與工作環(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)境工作中才會發(fā)生，導致進行器件失效分析的樣本量難以獲取，對器件失效機理的認知難以全面掌握。而采用元器件、原材料環(huán)境影響分析無法對元器件、原材料工藝過程以及機械、電路耦合進行準確分析，無法提供準確有效的器件可靠性設計工藝改進的基礎支撐。

為了快速暴露高可靠器件的失效模式，以研究器件失效機理進行相應的設計工藝改進，目前國外內主要采用可靠性強化試驗方法進行器件設計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]，王學孔[8]等人分別對航空設備、航天設備、機載設備、電源等產品進行了可靠性強化試驗的探索與研究，在較短的周期內取得了預期的效果。

因此，針對典型光纖聲光調制器(XX29型),分析確定器件薄弱環(huán)節(jié)與相應敏感應力，結合器件技術規(guī)范相關要求，研究光纖聲光調制器強化試驗方法，制定光纖聲光調制器強化試驗剖面，為快速高效確定器件主要失效模式與失效機理提供可行的方案，是光纖聲光調制器可靠性設計工藝提升的有效方法，對類似器件可靠性改進與提升有著非常重要的意義與急迫的現實需求。

1 確定典型應用下XX29光纖聲光調制器的薄弱環(huán)節(jié)

為了確定光纖聲光調制器薄弱環(huán)節(jié)[9]，必須對器件進行結構和功能分析，確定器件工作原理以及選用的主要元器件、原材料等，結合典型應用環(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制器薄弱環(huán)節(jié)。

XX29光纖聲光調制器主要有驅動器、體波聲光器件與光纖耦合系統(tǒng)組成，如圖1所示，其中驅動器提供調制器工作所需的射頻信號，體波聲光器件對射頻信號與輸入光信號進行調制，輸出一個偏轉光信號，為整機提供對比光信號。

以航空、航海應用環(huán)境，針對XX29光纖聲光調制器功能結構開展FTA分析，以器件產品失效為頂事件，建立故障樹分析圖，如圖2所示。

根據圖2故障樹分析可知，XX29光纖聲光調制器在機載、艦載環(huán)境中可能發(fā)生的主要失效包括光纖準直器失效、光準直器裝調位移失效、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、驅動器中的元器件失效與電路開、短路失效等等。由于產品工藝較為復雜，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，根據器件用元器件失效率預計，結合2010-2015年XX29光纖聲光調制器使用失效情況統(tǒng)計分析，可以初步確定光準直器裝調位移失效、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，失效概率相對最小的是光準直器失效、元器件失效以及電路開短路失效。因此，確定光纖聲光調制器在航空、航海典型應用環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)為壓焊層變形以及光準直器裝調位移。

2 確定XX29光纖聲光調制器薄弱環(huán)節(jié)對應敏感應力

XX29光纖聲光調制器在航空、航海應用環(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直器裝調，其失效將直接導致調制器插入損耗超出標稱值，引起器件功能失效。根據調制器使用失效時環(huán)境影響分析，結合器件用元器件、原材料與工藝分析確定XX29光纖聲光調制器薄弱環(huán)節(jié)對應敏感應力[10]。

航空、航海用XX29使用壽命器件主要歷經有振動、溫度、低氣壓、鹽霧以及濕度影響[11]。結合XX29光纖聲光調制器可以確定其主要的環(huán)境效應如表1所示。

XX29光纖聲光調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、運放器、光纖準直器以及耦合器等，采用的原材料主要包括氧化碲晶體、有機硅導熱膠、鈮酸鋰晶片等。

主要工藝有壓焊、減薄、表電極蒸發(fā)、點焊、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，使兩個表面的金屬達到焊接的目的，從而達到換能器晶片與聲光晶體粘接為一個整體。光纖耦合是利用高精度光纖調整裝置和高靈敏度光功率計，對已經選定的光纖準直器的位置和角度進行精密調節(jié)，使光束位于聲光塊體最高衍射效率的位置，并且兩只光纖準直器模場最大限度的重合，以達到損耗最低的要求，同時需要旋轉準直器，使得準直器能夠軸對準，實現偏振光的輸出。

結合表1與XX29光纖聲光調制器薄弱環(huán)節(jié)分析，光纖準直器與耦合器的主要失效應力為振動應力，主要失效模式為光學器件失調引起的光學參數退化。而壓焊工藝的主要失效應力包括振動應力與溫度應力，主要失效模式分為溫度應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致的結構疏松失效以及振動應力引起的壓焊層結構裂紋或斷裂。因此XX29光纖聲光調制器薄弱環(huán)節(jié)與敏感應力對應表如表2所示。

表1 典型應用環(huán)境的主要效應分析

3 確定XX29光纖聲光調制器可靠性強化試驗項目與條件

3.1 研究確定光纖聲光調制器強化試驗項目

光纖聲光調制器在水陸空裝備中都有廣泛應用，其應用環(huán)境有車載、彈載、機載、艦載等，各種應用環(huán)境下失效模式較多，各種應力條件下失效機理也較為復雜。為了在保持失效機理不變的基礎上評價分析產品的失效機理，必須根據光纖聲光調制器環(huán)境影響效應表，研究確定各失效模式對應的強化試驗項目，通過相應項目的試驗分析失效模式對應的失效機理。

根據典型應用環(huán)境下光纖聲光調制器環(huán)境效應表，分析確定導致產品失效的主要環(huán)境應力[10]，例如溫度、機械應力等，以及導致產品失效的綜合環(huán)境應力，以此確定開展強化試驗的試驗項目類型。由于材料熱匹配性引起的聲光材料微小形變會導致聲光晶體尺寸偏離設計值，使產品插入損耗增大引起失效；機械應力殘余或者使用時振動或沖擊會影響焊點可靠性和鍵合層穩(wěn)定性，使產品的電連接與鍵合層厚度產生變化，從而導致產品無法滿足技術要求等等，根據表2分析可知，溫度、機械應力是產品失效的主要影響因素。因此，初步確定強化試驗項目包括溫度(高溫、低溫)、振動強化試驗，部分故障或失效只有綜合應力才能激發(fā)，需要設計綜合應力強化試驗，如消光比異常的失效模式與失效機理可能需要設計高溫-電應力綜合強化試驗進行激發(fā)與證實。

3.2 研究確定光纖聲光調制器強化試驗條件

根據上述確定的試驗項目，結合光纖聲光調制器技術規(guī)范要求確定敏感應力強化試驗的試驗條件。對于強化試驗來說，主要包括試驗起始條件、終止條件、應力強度變化以及各階段保溫時間等等，以便試驗能夠在保持失效機理的基礎上較短時間內完成既定的激發(fā)效果。

為了盡可能準確高效地激發(fā)光纖聲光調制器在各敏感應力條件下的失效，獲取產品相應敏感應力條件下的失效極限。必須針對光纖聲光調制器技術要求開展溫度、振動等摸底試驗來確認產品的工作極限，結合產品用材料、元器件等工作時溫度、振動要求的上限與下限，確定強化試驗的試驗條件上限與下限。試驗起始條件可按技術規(guī)范要求的上限與下限確定，例如高溫步進可采用50 ℃作為起始溫度，低溫步進可采用-20 ℃作為起始溫度。為保證失效極限應力確定的準確性與高效性，試驗強度變化(步長)可按較低應力階段高強度，較高應力階段強度較低的方式進行施加。技術規(guī)范-工作極限時，工作極限-破壞極限時分別按表3所示開展。

表3 XX29光纖聲光調制器強化試驗實施要素

4 制定XX29光纖聲光調制器可靠性強化試驗方案

光纖聲光調制器強化試驗方案[10]是產品進行強化試驗的指導性文件，包括各應力強化試驗樣本量確定、測試指標、測試間隔時間、失效判據以及試驗終止條件等要素的確定，是光纖聲光調制器失效準確激發(fā)以及失效機理有效驗證與分析的重要依據。應根據產品特點結合試驗應力交互影響確定試驗項目的實施順序，盡可能以較小的樣本量激發(fā)更多的失效。

敏感應力強化試驗分組初步確定如表4所示。

表4 強化試驗實施要素

試驗剖面應根據光纖聲光調制器強化試驗實施要素表，結合各試驗項目中試驗條件的確定而建立，以敏感應力確定強化試驗項目施加應力，技術規(guī)范要求的應力極限為起始試驗條件，摸底試驗確定工作極限為中間應力強度變化轉折點，結合表4中應力強度變化(步長)確定強化試驗的強度變化，根據失效判據確定光纖聲光調制器失效應力極限也即破壞極限和試驗終止時間，分別建立高溫步進、低溫步進、溫度循環(huán)步進、振動步進與高溫-振動步進應力強化試驗剖面[10]。如圖3～圖6所示。

根據試驗剖面與強化試驗要素表編制試驗方案[12]，結合可靠性試驗實施的一般要求，確定試驗流程如圖7所示。

5 結論

本文采用對器件進行主動激發(fā)試驗驗證的思路，根據器件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)以及對應的敏感應力，結合器件性能的工作環(huán)境容限與要求，制定對應條件下的可靠性強化試驗方案，為快速高效準確地驗證光纖聲光調制器失效模式與失效機理提供了思路，最終滿足器件可靠性設計改進要求。該方法程序較為簡單，實施方便，采用樣本少、成本低，具有較強的工程應用價值，可為新研或改型器件提供失效模式與失效機理驗證的思路與參考。