Die gesamte moderne Telekommunikation vom Rechenzentrum über den Datenverkehr per Unterseekabel bis zum mobilen Hochgeschwindigkeitsinternet hängt ganz besonders von einer Technologie ab: der optischen Datenübertragung. Kernelemente von optischen Übertragungsnetzen sind neben der Glasfaser die Sender- und Empfängermodule.

ECK-Daten

  • Optische Datenübertragung und Sensorik-Anwendungen im Automotive-Bereich erfordern höchst zuverlässige Halbleiterbauelemente.
  • Beschleunigte Lebensdauertests ermöglichen eine schnelle Beurteilung der Zuverlässigkeit.
  • Klimatische Stresstests kombinieren Temperatur, Feuchte und Strom und simulieren dadurch mehrere Jahre Betriebszeit innerhalb von wenigen Wochen.
  • Durch intelligente Ansteuerungen, komplexes Monitoring und modernster optoelektronischer Charakterisierung generiert Rood Microtec einen deutlichen Mehrwert im Vergleich zu klassischen Zuverlässigkeitstests.

Sicherheitsrelevante Bauteile müssen extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen. Ein absolut reibungsloser jahrelanger Betrieb muss unter Last sichergestellt werden. Dazu müssen alle Komponenten eine hohe Qualität und Ausfallsicherheit aufweisen. Das beginnt bereits im Entwicklungsprozess: Bereits beim Herstellungsprozess der Wafer werden bis zum funktionsfähigen Device unterschiedliche Varianten aufgebaut, die dann durch beschleunigte Lebensdauertests geschickt werden. So können unvorteilhafte Materialeigenschaften bereits im frühen Stadium ausgeschlossen werden. Rood Microtec hat dazu eine ganze Reihe spezialisierter Tests entwickelt, die VCSEL und Photodioden mit unterschiedlichen Belastungsszenarien auf Langlebigkeit prüfen.

Um die Handhabung der kleinen Chips zu vereinfachen, werden diese typischerweise in Standard-TO (Transistor Outline) -Gehäuse verpackt. Dadurch wird das Handling einfacher, es gibt standardisierte Halter und die Messaufbauten erfordern beim Wechsel auf andere Devices nur geringe Abwandlungen.

Beschleunigte Alterung und Lebensdauertests finden typischerweise in Klimakammern statt, die eine konstante oder zyklische Temperatur sowie die relative Luftfeuchtigkeit einstellen können. Mit geeigneten Parametern und elektrischem Betrieb der Bauelemente können eine ganze Reihe standardisierter Tests durchgeführt werden, die im Folgenden beschrieben werden.

Steuerung und Überwachung der Klimakammern

Alle Kammern und Prozesse bei Rood Microtec werden von selbstgeschriebenen Labview-Programmen überwacht und angesteuert. Bis vor kurzem wurden nur die einfachen Interfaces an den Kammern genutzt, doch eine spezifische Programmierung ermöglicht nun gezielte und komplexe Prozessabläufe, die zum Beispiel unterschiedliche Temperaturrampen fahren oder nach dem Test noch zusätzliche Trocknungsprozeduren in den Feuchtekammern beinhalten. Die gleichzeitige Überwachung des laufenden Tests in derselben Hardware lässt vollautomatische Kopplungen zu. So kann der Test automatisch abgebrochen werden, wenn zu viele Devices ausfallen und auch Kontaktierungsprobleme können sofort identifiziert werden, nicht erst nach Testende.

HTOL-Test

Zuverlässigkeitstest

Die HTOL-Kammer beinhaltet viele kleine Mini-Öfen, die alle bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können. Rood Microtec

Im HTOL-Test (high temperature operating life) werden VCSEL bei hohen Temperaturen mit maximaler Leistung betrieben, um ein beschleunigtes Altern der Bauelemente zu simulieren. Regelmäßige vollautomatische optische Charakterisierungen geben einen tiefen Einblick in Degradation, Ausfallmechanismen und letztendlich zu erwartende Lebensdauer. Durch den Test von mehreren hundert Bauteilen über einige tausend Stunden erhält man eine sehr aussagekräftige Statistik und kann damit Aussagen zur Lebensdauer unter Normalbedingungen treffen. Durch Stresstests bei unterschiedlichen Temperaturen und Betriebsbedingungen können komplexe Modelle zu Lebensdauerabschätzungen mit realistischen Daten abgeglichen werden. Die Lebensdaueranlage für VCSEL bietet Platz für mehrere hundert Bauteile. Jedes Modul verfügt über einen kleinen Ofen, Platz für 16 VCSEL in TO-Gehäusen sowie 16 Monitor-Photodioden und kann bei unterschiedlichen Temperaturen bis zu 150 °C sowie mit Bauelementströmen bis zu 50 mA arbeiten (Bild 1).

Ein Spezialfall des HTOL-Tests tritt ein, wenn man alle Bauelementausfälle, die auf Degradationen zurückzuführen sind, außer Acht lässt und nur die Zufallsausfälle (Random Failures) berücksichtigt. Da diese sehr selten sind, werden typischerweise mehrere tausend Chips in einem Wafer-basierten Test gestresst und regelmäßig ausgemessen. Aus den statistischen Auswertungen lassen sich dann Werte für die zu erwartende Lebensdauer errechnen, getrennt nach zufällig auftretenden Spontanausfällen und systematischen Ausfällen, die oft mit einer Degradation der Performance einhergehen. Für die Hersteller von optoelektronischen Bauelementen sind diese Statistiken von enormem Wert, da die Anwendungen oft im High-Reliability-Sektor liegen.

THB-Test

Zuverlässigkeitstest

Selbstentwickelte intelligente Stromsteuerung für THB-Tests. Rood Microtec

In einem bestromten Temperatur-Feuchte-Test (THB temperature humidity biased oder auch BDH biased damp heat) lässt sich schnell herausfinden, wie sensibel Bauelemente auf Feuchte reagieren. Eindringende Feuchtigkeit kann auf Chiplevel zu vielfältigen Degradationen oder Korrosionen führen. Ein paralleles Monitoring, gepaart mit regelmäßigen optoelektronischen Charakterisierungen, ermöglicht eine tiefgehende Auswertung der Zuverlässigkeit. Diese Tests sind auch sinnvoll, um unterschiedlich prozessierte Wafer, zum Beispiel mit verschiedenen Passivierungen, zu vergleichen.

Während eines THB-Tests können die gestressten Bauteile große Widerstandsänderungen durchlaufen. Da die Testspezifikationen üblicherweise einen konstanten Stromfluss erfordern, haben Ingenieure von Rood Microtec intelligente Stromquellen entwickelt und aufgebaut, die bei Widerstandsänderungen selbstständig den Strom anpassen (Bild 2). Dadurch wird ein tägliches manuelles Justieren während der teils monatelangen Tests unnötig. Durch die parallele Nutzung vieler dieser Stromquellen können unterschiedliche Parameter im selben Test realisiert werden. Jede Stromquelle liefert maximal 50 V und 15 mA, bei aktiver Kühlung sind auch 100 mA möglich.

In THB-Tests wird aber üblicherweise mit kleinen Strömen gearbeitet, um eine Erwärmung der Bauelemente und somit ein Fernhalten der Feuchte durch Mikroklima zu verhindern, da insbesondere untersucht werden soll, inwieweit die Bauelemente unter feuchten Bedingungen korrodieren.

HTRB-Test

Zuverlässigkeitstest

Hochtemperatur-Leiterplatte mit 64 TO-Cans für HTRB-Test. Rood Microtec

HTRB (high temperature reverse bias) ist ein Belastungstest, der besonders für Photodioden von Interesse ist und mit dem überprüft werden kann, wie bei hohen Temperaturen der Dunkelstrom zunimmt und somit die Sensitivität der Dioden leidet. Für diese Tests werden maßgeschneiderte Leiterplatten als Träger von vielen Devices gefertigt, die den hohen Temperaturen von bis zu 200 °C standhalten müssen (Bild 3).

Hunderte VCSEL oder Photodioden auszumessen kann monoton, zeitintensiv und letztlich teuer sein. Daher hat Rood Microtec einen Messplatz aufgebaut, der vollautomatisch mehrere dutzend VCSEL charakterisiert. Dazu wird dieselbe Halterung verwendet, die die Bauelemente schon im Feuchte-Test bestromt, sodass die Bauteile nicht entfernt und wiedereingesetzt werden müssen.

Zu Beginn und zum Ende von Testläufen wird üblicherweise eine tiefgehende Charakterisierung durchgeführt. Dazu wird die spektrale Verteilung von VCSELn sowie die optische Leistung und die Kennlinie gemessen, bei Photodioden werden die spektrale Sensitivität, der Dunkelstrom bei unterschiedlichen Spannungen sowie der Hellstrom gemessen.

Für Photodioden bleibt oft die manuelle Messung die einzige Möglichkeit, da sowohl Hell- als auch Dunkelstrommessungen durchgeführt werden müssen. Dafür sind mehrere Handgriffe nötig, die sich im Rahmen der Unternehmenskapazitäten nicht automatisieren lassen. Hinzu kommt die extreme Empfindlichkeit der Messung bis in den Femtoampere-Bereich, die nur durch die Anwesenheit eines Operators sichergestellt werden kann (Bild 4).

Zuverlässigkeitstest

Hochempfindlicher Messplatz für Photodioden. Unten befindet sich die zu testende Photodiode, oben eine IR-Lichtquelle. Mit einer Abschirmung werden die Dunkelstrommessungen realisiert. Rood Microtec

ESD-Tests

Alle optoelektronischen Bauelemente sind in unterschiedlichem Maß empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge). Daher müssen bei deren Einsatz und Verarbeitung unbedingt Maßnahmen ergriffen werden, die eine Schädigung vermeiden. In der Regel werden Schwellenwerte für die ESD-Belastung angegeben, unterhalb welcher eine Schädigung nahezu ausgeschlossen ist. Das Ziel von ESD-Tests ist es, diesen Schwellenwert zu ermitteln. In Zusammenarbeit mit einem weltweit anerkannten Spezialisten bietet Rood Microtec solche ESD-Tests von optoelektronischen Bauteilen an.

Standards

Die Durchführung der einzelnen Tests orientiert sich an internationalen Standards wie IEC, JEDEC oder MIL. Wenn es um die Festlegung von Testprogramm und Testbedingungen geht, empfiehlt es sich, einen anerkannten Qualifikationsstandard für das Anwendungsfeld zugrunde zu legen. Bei optoelektronischen Bauelementen, insbesondere für Telekommunikationsanwendungen, ist der Telcordia GR-468-CORE der weltweit etablierte Standard. Dieser Qualifikationsstandard definiert Testbedingungen für umfassende Zuverlässigkeitsuntersuchungen und legt Richtlinien fest, anhand derer eine sinnvolle Auswahl von Tests und Testbedingungen erfolgen sollte. Damit soll sichergestellt werden, dass ein Produkt im Betrieb über die angestrebte Lebensdauer eine hohe Zuverlässigkeit zeigt.

Kunden können bei der Definition der Bedingungen für oben beschriebene Alterungstests auch in anderen Anwendungsfeldern wie Automotive oder Luft- und Raumfahrt unterstützt werden.

Zu Zuverlässigkeitsuntersuchungen gehören auch Fehleranalysen. Nur so kann man bei defekten Bauteilen nachvollziehen, was die Ursache für den Ausfall war. Rood Microtec verfügt über eine Fehleranalyse-Abteilung, die durch eine große Vielfalt an Untersuchungsmethoden in der Lage ist, die Gründe für Bauelemente- oder Baugruppenausfälle zu ermitteln.

Fazit

Optische Kommunikation und Sensorik sind zukunftssichere Dauerbrenner und erfordern hochzuverlässige Halbleiterbauelemente, die kontinuierlich weiterentwickelt werden. Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten, erarbeitet die Abteilung Optoelektronik & Innovation von Rood Microtec intelligente und innovative Tests für optoelektronische Bauelemente. Durch die Kombination von klassischen klimatischen Belastungstests mit moderner Überwachungshard- und software kann den Kunden ein deutlicher Mehrwert an Informationen und statistischen Daten geliefert werden. Darüber hinaus sind vielfältige Dienstleistungen rund um jede Form von Halbleiterbauelementen verfügbar.