Chip-on-Board (COB): Gehäusetechnik

Chip-on-Board ist eine Bauweise für das optische Front-End ohne einzeln gehäuste Bauteile: Die nackten Laser- und Fotodioden-Dies werden direkt auf die Leiterplatte des Moduls geklebt und drahtgebondet (oder auf einen kleinen Träger), dann mit einem Linsenarray abgedeckt, das sie direkt an die Faserferrule koppelt. Das macht parallele Kurzstrecken-Optik und aktive optische Kabel so günstig und so dicht, wie sie sind — und das macht sie nicht reparierbar.

Klassische Gehäusetechnik vs. COB

Wo COB eingesetzt wird

• Parallele Multimode-Optik — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: ein VCSEL-Array mit 4 oder 8 Elementen und ein passendes PIN-Array, jeweils hinter einem gespritzten Linsenarray, gekoppelt an eine MPO-12- oder MPO-16-Ferrule.
• Aktive optische Kabel (AOC) — an jedem Ende eine COB-Engine mit fest angeschlossener Faser; es gibt überhaupt keine Steckbuchse, was Kopplungsverlust und Kosten entfallen lässt.
• On-Board-Optik / COBO — optische Engines, die auf der Host-Platine nahe dem ASIC montiert sind statt in einem steckbaren Käfig.
• Co-Packaged Optics (CPO) — dieselbe Idee bis zum Äußersten getrieben: optische Dies, die auf dem Substrat des Switch-ASICs gehäust werden.
• Manche Singlemode-Designs nutzen ebenfalls COB (kantenemittierende DFB-/EML-Dies auf einem Träger mit einer planaren Lichtwellenschaltung), aber Bedenken zur Hermetizität halten die meisten Singlemode-Optiken in Cans oder in Silizium-Photonik-Gehäusen.

VCSEL eignen sich besonders gut für COB: Sie emittieren senkrecht zum Wafer, sodass ein Array vor dem Vereinzeln getestet, mit der aktiven Seite nach oben auf die Platine platziert und mit einer einfachen Linse gekoppelt werden kann — kein Facettenspalten, keine Kantenkopplung (Lasertypen).

Wie eine COB-Engine aufgebaut wird

1. Substrat — entweder die Modul-Leiterplatte selbst oder ein Träger (Keramik, Silizium, Glas), der später auf die Leiterplatte gelötet wird; Hochgeschwindigkeits- Leiterbahnen führen zu den Treiber- und TIA-ICs, die nur Millimeter von den optischen Dies entfernt platziert sind.
2. Die-Attach — VCSEL-Array, PIN-Array sowie Treiber- und TIA-Dies werden mit leitfähigem Epoxidharz oder AuSn-Lot fixiert; Justiermarken auf dem Substrat.
3. Drahtbonden — Golddrähte von den Die-Pads zu den Substrat-Pads; die Bondlänge wird minimal gehalten, denn sie ist bei 25–100G die wichtigste parasitäre Größe.
4. Linsenarray — ein gespritztes Glas- oder Polymerteil mit einer Linse je Lane und Justierstiften, platziert per Bildverarbeitung anhand der Justiermarken (passive Justage) oder aktiv unter Überwachung der eingekoppelten Leistung.
5. Verguss — ein transparentes Gel oder Glob-Top über Dies und Bonds, oder ein Deckel; der optische Pfad bleibt durch die Linse offen.
6. Ferrule — eine MT-Ferrule mit dem Faserband wird auf die Führungsstifte des Linsenarrays gesteckt und stellt an der Modulfrontplatte eine MPO-Schnittstelle bereit (oder die fest angeschlossene Faser eines AOC).
7. Test — erst nach der Montage: Augendiagramm und Leistung je Lane. Eine ausgefallene Lane bedeutet eine verschrottete oder herabgestufte Engine.

Vorteile

• Kosten in Stückzahl — keine hermetischen Cans, ein Justageschritt für acht Lanes.
• Dichte — acht Lanes in der Grundfläche von zwei Cans; ermöglicht SR8 und AOC.
• Hochgeschwindigkeitsverhalten — kurze Bonds, Treiber und TIA direkt neben den Dies, geringe parasitäre Effekte.
• Thermischer Pfad — Dies sitzen auf dem Platinenkupfer statt in einem Can.
• Automatisierung — Pick-and-Place und bildgestützte Justage skalieren auf Millionen Einheiten.

Nachteile

• Nicht hermetisch — Feuchtigkeit und Verunreinigungen erreichen die Dies; VCSEL und PIN vertragen das gut, kantenemittierende Laser weniger. Die Qualität des Vergusses entscheidet über die Langzeitzuverlässigkeit.
• Keine Reparatur — ein einzelner degradierter VCSEL in einem 8-Lane-Array setzt das ganze Modul oder Kabel außer Betrieb; bei einem AOC bedeutet das, das Kabel neu zu verlegen (DAC vs. AOC vs. Transceiver).
• Ausbeute-Risiko — Justage und Bonden erfolgen, bevor die Engine vollständig getestet werden kann.
• In der Praxis nur Multimode — die Reichweite ist durch die Kombination aus VCSEL und MMF begrenzt.

COB und Diagnose

Da sich die acht Laser eine Platine und ein thermisches Umfeld teilen, altern sie gemeinsam — aber nicht gleich. Der klassische COB-Ausfall ist eine Lane eines SR4/SR8-Arrays, die an Leistung verliert, während die anderen einwandfrei sind, verdeckt durch LACP oder ein „OK“ auf Modulebene. Tx-Bias und Rx-Leistung je Lane sind die einzige Frühwarnung (Diagnose je Lane, Ausfälle). COB-Module tragen den üblichen SFF-8636- oder CMIS- Speicher auf derselben Platine; ihre Identität wird kodiert wie bei jedem anderen Modul.

In CodingBox

CodingBox liest COB-basierte Module und AOC-Enden wie jedes QSFP/QSFP-DD: DDM je Lane auf dem DDM-Bildschirm zeigt, welche Lane ausfällt, und der EEPROM-Editor kodiert die Identität, die ein Host erwartet — das Einzige an einem COB-Modul, das sich nach Verlassen der Fabrik noch ändern lässt.

COB im Vergleich zu TO-Cans und Box-Gehäusen, mit Justagetoleranzen und Zuverlässigkeit: Optische Gehäusetechnik; COB-Engines als Enden von AOCs: Kabelaufbau; die Fertigungsschritte, die COB einspart: Fertigung & Prüfung.