了解太空中使用的光纖收發(fā)器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

在用于太空和航空電子應(yīng)用的電子設(shè)備中，故障不是一種選擇。組件必須能夠承受極端高溫、低溫、輻射、沖擊和振動(dòng)，同時(shí)提供可靠的性能。為了承受這種惡劣的使用，設(shè)備必須經(jīng)過(guò)超出規(guī)定的測(cè)試，以確保在惡劣環(huán)境中的性能，以避免故障。設(shè)計(jì)組件測(cè)試程序涉及許多基本步驟，以確保可靠性和性能。

太空和航空電子應(yīng)用中使用的組件和系統(tǒng)必須能夠承受極端高溫、低溫、輻射、沖擊和振動(dòng)，以提供可靠的性能。通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試發(fā)現(xiàn)故障、缺陷和邊緣組件至關(guān)重要;這種徹底的審查使產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)和太空中具有長(zhǎng)壽命和高可靠性。

圖1|部件故障原因之間可能的聯(lián)系圖。連接用實(shí)線表示，而無(wú)連接狀態(tài)用虛線表示。注定的失敗有一個(gè)內(nèi)部機(jī)制，從創(chuàng)造的那一刻起就產(chǎn)生相同的結(jié)果——以設(shè)定的速率失敗。

光纖的優(yōu)勢(shì)延伸到太空

光收發(fā)器驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為銅駐留格式和從銅駐留格式轉(zhuǎn)換信號(hào)。光纖電纜 （FOC） 具有高帶寬和低延遲信號(hào)，可用于惡劣的空間環(huán)境，以提供對(duì) EM/RFI 干擾、串?dāng)_和電壓電平浪涌的抗擾度。FOC 的準(zhǔn)確性和可靠性超過(guò)了傳統(tǒng)布線：覆蓋 1，000 英尺需要 4 磅的 FOC，而銅纜則需要 39 磅的銅線，而且光纖也比銅消耗更少的能量。為了將具有銅輸出的電路中的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖，通常需要光纖收發(fā)器。

讓我們舉一個(gè)合適的例子：支持大帶寬（高達(dá)28 Gbps/通道）的短距離并行多模光纖收發(fā)器。事實(shí)：衛(wèi)星內(nèi)通信需要高比特率;在過(guò)去的幾年里，光收發(fā)器代表了高性能技術(shù)，但在惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)出弱點(diǎn)。然而，堅(jiān)固耐用的密封光收發(fā)器現(xiàn)在可以承受火箭進(jìn)入軌道、極端溫度和輻射。設(shè)計(jì)人員和用戶必須測(cè)試光學(xué)設(shè)備以確保質(zhì)量和可靠性。

必須運(yùn)行各種測(cè)試，以確保光收發(fā)器等關(guān)鍵設(shè)備能夠在太空中提供可靠的運(yùn)行，包括空間應(yīng)用測(cè)試（加上輻射）、機(jī)械、環(huán)境、壽命測(cè)試、實(shí)時(shí)測(cè)試和嚴(yán)格的篩選測(cè)試，以確保后續(xù)批次的可靠性。

如何執(zhí)行五個(gè)關(guān)鍵測(cè)試

除了受控設(shè)置外，每個(gè)測(cè)試都需要在評(píng)估前后目視檢查異常情況。與測(cè)試相關(guān)的顯著性能下降被視為資格認(rèn)證失敗。出于本次討論的目的，我們重點(diǎn)關(guān)注用于在太空或類似惡劣環(huán)境中運(yùn)行的光纖收發(fā)器（FOT）的強(qiáng)制性測(cè)試。所有設(shè)備都需要進(jìn)行機(jī)械和環(huán)境測(cè)試，以驗(yàn)證長(zhǎng)期完整性。強(qiáng)制性測(cè)試還包括壽命測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。此類測(cè)試可以幫助根除設(shè)計(jì)或流程缺陷。最后，即使單位通過(guò)了所有測(cè)試，后續(xù)批次的每一批單位也必須經(jīng)過(guò)篩選測(cè)試。

強(qiáng)制性機(jī)械和環(huán)境測(cè)試

在相同的FOT上執(zhí)行三次連續(xù)的機(jī)械測(cè)試。在完成機(jī)械完整性評(píng)估之前和之后，必須在工作溫度范圍內(nèi)對(duì)單元進(jìn)行目視檢查和表征，以確認(rèn)沒(méi)有發(fā)生明顯的性能下降。機(jī)械完整性評(píng)估測(cè)試按以下順序在非運(yùn)行單元上執(zhí)行：

所有三個(gè)軸的振動(dòng)測(cè)試（20 Hz 和 2，000 Hz 之間 20 g，每軸 16 分鐘）。

在所有六個(gè)方向上重復(fù)五次的機(jī)械沖擊測(cè)試，在 0.5 ms 的半正弦脈沖持續(xù)時(shí)間上使用 500 g 沖擊。

熱沖擊測(cè)試包括 0 至 100 °C 之間的 20 個(gè)循環(huán)，停留時(shí)間為 10 分鐘，瞬態(tài)時(shí)間小于 5 秒。

FOT的三種環(huán)境壓力測(cè)試包括：

一種溫度循環(huán)測(cè)試，用于評(píng)估組件使用壽命期間的機(jī)械疲勞。例如，不同材料在熱膨脹下的不匹配會(huì)導(dǎo)致故障。

濕熱測(cè)試，以確保密封的FOT能夠持續(xù)提供對(duì)充滿水分的空氣的抵抗力。

執(zhí)行一系列測(cè)試，僅適用于具有與焊料回流兼容的BGA ［球柵陣列］電氣接口的產(chǎn)品。這些測(cè)試對(duì)回流曲線和低溫儲(chǔ)存的可能影響。

壽命測(cè)試確認(rèn)產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的可靠性

壽命測(cè)試通過(guò)對(duì)來(lái)自不同批次的多個(gè)單元進(jìn)行廣泛、加速的壽命測(cè)試來(lái)驗(yàn)證長(zhǎng)期可靠性。壽命測(cè)試不用于測(cè)試前期死亡率，老化測(cè)試就足夠了。相反，壽命測(cè)試預(yù)測(cè)產(chǎn)品預(yù)期生命周期內(nèi)的性能下降。為了模擬工作 20 多年，F(xiàn)OT 在 100 °C 的外殼溫度下，在超過(guò)工作條件 80% 的偏置電流下工作 4，000 小時(shí)。

實(shí)時(shí)測(cè)試評(píng)估性能

實(shí)時(shí)測(cè)試雖然更復(fù)雜，但全面評(píng)估了幾種電氣和光學(xué)接口配置的性能。實(shí)時(shí)測(cè)試是使用高速數(shù)字信號(hào)通過(guò)被測(cè)設(shè)備（DUT）的每個(gè)通道進(jìn)行操作的。當(dāng)DUT受到壓力時(shí)，測(cè)量傳輸誤差以保持誤碼率（BER），在惡劣條件下工作時(shí)，誤碼率（BER）優(yōu)于1萬(wàn)億位中的1個(gè)錯(cuò)誤。在壓力下進(jìn)行測(cè)試，F(xiàn)OT的顯著信號(hào)衰減將證明發(fā)射器和接收器區(qū)域的累積效應(yīng)會(huì)影響誤差計(jì)數(shù)。

圖2|實(shí)時(shí)測(cè)試設(shè)置配置

空間應(yīng)用測(cè)試

太空的一個(gè)主要威脅是輻射。輻射測(cè)試必須分為三個(gè)不同的類別進(jìn)行評(píng)估，涵蓋與地球靜止或低地球軌道環(huán)境有關(guān)的潛在并發(fā)癥。每次測(cè)試至少應(yīng)收集五個(gè)單位。當(dāng)FOT關(guān)鍵組件從新的制造批次到達(dá)時(shí)，應(yīng)重復(fù)測(cè)試。輻射測(cè)試是：

使用總非電離劑量 （TNID） 質(zhì)子（5e12 質(zhì)子/cm2 總劑量）的非操作測(cè)試。

在室溫和85°C下進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，單事件效應(yīng)（SEE），包括重離子（Ho，Cu，Ar，Ne，N，每個(gè)總能量為1 x 107離子/ cm2）。

伽馬射線總電離劑量 （TID）（100 krad 累積劑量）的偏倚和無(wú)偏倚測(cè)試。

必須將實(shí)時(shí)輻射測(cè)試引起的錯(cuò)誤/事件數(shù)量與在可接受水平下發(fā)生的錯(cuò)誤/事件數(shù)量進(jìn)行比較。對(duì)于非操作測(cè)試，比較施加輻射劑量之前和之后FOT的性能，并且只能忽略不計(jì)地通過(guò)。用封裝材料密封的堅(jiān)固耐用的FOT必須經(jīng)過(guò)除氣測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)熱真空測(cè)試，保持至少5 x 10-5hPa的真空至少20個(gè)熱循環(huán)，從-40°C到85°C，升溫為~5°C/分鐘，停留時(shí)間為5分鐘，也必須成功完成。其他空間應(yīng)用測(cè)試包括減壓測(cè)試，也可用于鑒定航空電子應(yīng)用的部件。減壓測(cè)試表明，在模擬 2，438 米或 8，000 英尺高度的壓力水平下，性能不會(huì)受到影響，在不到 15 秒的時(shí)間內(nèi)上升到 15，850 米或 52，000 英尺，并保持在那里一小時(shí)。

篩選測(cè)試確保持續(xù)的準(zhǔn)確性

最后，完成了六個(gè)熱循環(huán)的篩選測(cè)試，這些循環(huán)以8°C/分鐘的速度上升，停留時(shí)間為5分鐘，以持續(xù)保證高質(zhì)量的商用現(xiàn)貨（COTS）設(shè)備。除熱循環(huán)外，還增加了持續(xù)時(shí)間為168小時(shí)、外殼溫度為100°C的老化，在正常偏置電流下工作。在新的FOT設(shè)計(jì)通過(guò)上述測(cè)試合格后，后續(xù)生產(chǎn)批次的單元將通過(guò)篩選過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。溫度循環(huán)測(cè)試傾向于揭示裝配缺陷，而老化測(cè)試顯示嬰兒死亡率。

由于太空、航空電子設(shè)備和國(guó)防等應(yīng)用中的故障是不可接受的，因此這些領(lǐng)域使用的組件和系統(tǒng)必須承受極熱、極冷、輻射、沖擊和振動(dòng)，以提供可靠的性能。通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試發(fā)現(xiàn)故障、缺陷和邊緣組件至關(guān)重要，這可以使產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)和太空中具有長(zhǎng)壽命和高可靠性。通過(guò)旨在證明惡劣環(huán)境中可靠性的五項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試，光纖收發(fā)器滿足或超過(guò)操作要求。對(duì)于許多關(guān)鍵應(yīng)用程序，這種保證通常比節(jié)省成本的考慮更重要。

審核編輯：郭婷