Encapsulation chip-on-board (COB)

Chip-on-board désigne une méthode de construction de la tête optique sans composants conditionnés individuellement : les puces nues du laser et de la photodiode sont collées et câblées par microsoudure directement sur le circuit imprimé du module (ou sur un petit support), puis recouvertes d’une matrice de lentilles qui les couple directement à la férule de fibre. C’est ce qui rend l’optique courte portée en parallèle et les câbles optiques actifs si bon marché et si denses — et ce qui fait qu’ils ne peuvent pas être réparés.

Boîtier classique face au COB

Où le COB est utilisé

• Optique multimode parallèle — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8 : une matrice de VCSEL à 4 ou 8 éléments et une matrice de PIN assortie, chacune derrière une matrice de lentilles moulée, couplées à une férule MPO-12 ou MPO-16.
• Câbles optiques actifs (AOC) — un moteur COB à chaque extrémité, la fibre étant fixée en permanence ; pas de réceptacle du tout, ce qui supprime la perte de couplage et son coût.
• Optique embarquée sur carte / COBO — moteurs optiques montés sur la carte hôte près de l’ASIC plutôt que dans une cage enfichable.
• Optique co-intégrée (CPO) — la même idée poussée à sa limite : des puces optiques intégrées sur le substrat de l’ASIC de commutation.
• Certaines conceptions monomodes utilisent aussi le COB (puces DFB/EML à émission par la tranche sur un support avec un circuit optique planaire), mais les contraintes d’herméticité maintiennent la plupart de l’optique monomode dans des boîtiers métalliques ou des boîtiers de photonique sur silicium.

Les VCSEL se prêtent particulièrement bien au COB : ils émettent perpendiculairement à la plaquette, si bien qu’une matrice peut être testée avant découpe, placée face vers le haut sur la carte et couplée avec une simple lentille — sans clivage de facette, sans couplage par la tranche (Types de lasers).

Comment est construit un moteur COB

1. Substrat — le circuit imprimé du module lui-même, ou un support (céramique, silicium, verre) ensuite soudé au circuit imprimé ; les pistes haute vitesse rejoignent les circuits pilote et TIA placés à quelques millimètres des puces optiques.
2. Report des puces — matrice de VCSEL, matrice de PIN, puces pilote et TIA fixées avec une résine époxy conductrice ou une brasure AuSn ; repères d’alignement sur le substrat.
3. Microsoudure filaire — fils d’or reliant les plots des puces aux plots du substrat ; la longueur des fils est réduite au minimum car c’est le principal élément parasite à 25–100G.
4. Matrice de lentilles — une pièce en verre ou en polymère moulée, avec une lentille par voie et des broches d’alignement, positionnée par vision industrielle sur les repères (alignement passif) ou activement en surveillant la puissance couplée.
5. Encapsulation — un gel transparent ou un glob-top sur les puces et les fils de microsoudure, ou un couvercle ; le chemin optique reste dégagé à travers la lentille.
6. Férule — une férule MT portant le ruban de fibres s’enfiche sur les broches de guidage de la matrice de lentilles, présentant une interface MPO à la face avant du module (ou la fibre fixe d’un AOC).
7. Test — seulement après l’assemblage : diagramme de l’œil et puissance par voie. Une voie défaillante signifie un moteur mis au rebut ou déclassé.

Avantages

• Coût en volume — pas de boîtiers hermétiques, une seule étape d’alignement pour huit voies.
• Densité — huit voies dans l’encombrement de deux boîtiers ; rend possibles le SR8 et l’AOC.
• Performance en haute vitesse — fils courts, pilote et TIA à proximité des puces, faibles éléments parasites.
• Chemin thermique — les puces reposent sur le cuivre de la carte plutôt qu’à l’intérieur d’un boîtier.
• Automatisation — le pick-and-place et l’alignement par vision montent en cadence jusqu’à des millions d’unités.

Inconvénients

• Non hermétique — l’humidité et les contaminants atteignent les puces ; les VCSEL et les PIN le tolèrent bien, les lasers à émission par la tranche moins bien. La qualité de l’encapsulant détermine la fiabilité à long terme.
• Pas de réparation — un seul VCSEL dégradé dans une matrice à 8 voies met hors service tout le module ou le câble ; avec un AOC, cela signifie un nouveau tirage de câble (DAC face à AOC face à transceivers).
• Risque sur le rendement — l’alignement et la microsoudure sont réalisés avant que le moteur puisse être testé complètement.
• Multimode uniquement en pratique — la portée est limitée par la combinaison VCSEL/MMF.

COB et diagnostic

Comme les huit lasers partagent une même carte et un même environnement thermique, ils vieillissent ensemble — mais pas de façon identique. La panne classique du COB est une seule voie d’une matrice SR4/SR8 qui perd de la puissance pendant que les autres restent correctes, masquée par le LACP ou par un « OK » au niveau du module. Le courant de polarisation Tx et la puissance Rx par voie sont les seuls signes avant-coureurs (Diagnostic par voie, Défaillances). Les modules COB portent la mémoire SFF-8636 ou CMIS standard sur la même carte ; leur identité est codée comme celle de tout autre module.

Dans CodingBox

CodingBox lit les modules à base de COB et les extrémités d’AOC comme n’importe quel QSFP/QSFP-DD : le DDM par voie sur l’écran DDM montre la voie qui se dégrade, et l’EEPROM editor code l’identité attendue par l’hôte — la seule chose, dans un module COB, qui peut être modifiée après sa sortie d’usine.

Le COB face aux boîtiers TO-can et aux boîtiers rectangulaires, avec les tolérances d’alignement et la fiabilité : Boîtiers optiques ; les moteurs COB comme extrémités des AOC : Intérieur des câbles ; les étapes d’usine que le COB supprime : Fabrication et test.