Packaging chip-on-board (COB)

Chip-on-board è un modo di realizzare il front end ottico senza componenti incapsulati singolarmente: i die nudi del laser e del fotodiodo vengono incollati e collegati con wire bonding direttamente sul circuito stampato del modulo (o su un piccolo carrier), poi coperti da una matrice di lenti che li accoppia direttamente alla ferula della fibra. È il motivo per cui l’ottica parallela a corto raggio e i cavi ottici attivi sono così economici e così densi — ed è il motivo per cui non si possono riparare.

Packaging classico vs COB

Dove si usa il COB

• Ottica multimodale parallela — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: una matrice VCSEL a 4 o 8 elementi e una matrice PIN corrispondente, ciascuna dietro una matrice di lenti stampate, accoppiata a una ferula MPO-12 o MPO-16.
• Cavi ottici attivi (AOC) — un motore COB a ciascuna estremità con la fibra fissata in modo permanente; nessun ricettacolo, il che elimina perdita di accoppiamento e costo.
• Ottica on-board / COBO — motori ottici montati sulla scheda host vicino all’ASIC anziché in una gabbia innestabile.
• Ottica co-packaged (CPO) — la stessa idea portata al limite: die ottici incapsulati sul substrato dell’ASIC dello switch.
• Anche alcuni design monomodali usano il COB (die DFB/EML a emissione laterale su un carrier con un circuito ottico planare), ma le esigenze di ermeticità mantengono la maggior parte dell’ottica monomodale in contenitori o in package di fotonica al silicio.

I VCSEL si adattano particolarmente bene al COB: emettono perpendicolarmente al wafer, quindi una matrice può essere testata prima del dicing, posizionata verso l’alto sulla scheda e accoppiata con una lente semplice — senza clivaggio delle facce, senza accoppiamento laterale (Tipi di laser).

Come si costruisce un motore COB

1. Substrato — il PCB del modulo stesso, oppure un carrier (ceramica, silicio, vetro) che viene poi saldato al PCB; le piste ad alta velocità arrivano al driver e al TIA, circuiti integrati posizionati a pochi millimetri dai die ottici.
2. Die attach — i die della matrice VCSEL, della matrice PIN, del driver e del TIA vengono fissati con resina epossidica conduttiva o saldatura AuSn; riferimenti di allineamento (fiducial) sul substrato.
3. Wire bonding — fili d’oro dai pad del die ai pad del substrato; la lunghezza del bond viene mantenuta minima perché è il principale elemento parassita a 25–100G.
4. Matrice di lenti — un componente in vetro o polimero stampato con una lente per lane e perni di allineamento, posizionato con visione artificiale sui fiducial (allineamento passivo) oppure attivamente monitorando la potenza accoppiata.
5. Incapsulamento — un gel trasparente o glob-top sopra die e bond, oppure un coperchio; il percorso ottico resta aperto attraverso la lente.
6. Ferula — una ferula MT con il nastro di fibre si innesta sui perni di guida della matrice di lenti, presentando un’interfaccia MPO sul pannello frontale del modulo (oppure la fibra fissa di un AOC).
7. Test — solo dopo l’assemblaggio: diagramma a occhio e potenza per lane. Una lane guasta comporta uno scarto o un motore declassato.

Vantaggi

• Costo ad alti volumi — nessun contenitore ermetico, un solo passaggio di allineamento per otto lane.
• Densità — otto lane nell’ingombro di due contenitori; rende possibili SR8 e AOC.
• Prestazioni ad alta velocità — bond corti, driver e TIA vicino ai die, bassi effetti parassiti.
• Percorso termico — i die poggiano sul rame della scheda anziché dentro un contenitore.
• Automazione — pick-and-place e allineamento a visione artificiale scalano a milioni di unità.

Svantaggi

• Non ermetico — umidità e contaminanti raggiungono i die; i VCSEL e i PIN tollerano bene questa condizione, i laser a emissione laterale meno. La qualità dell’incapsulante determina l’affidabilità a lungo termine.
• Nessuna riparazione — un singolo VCSEL degradato in una matrice a 8 lane mette fuori uso l’intero modulo o cavo; con un AOC questo significa tirare di nuovo il cavo (DAC vs AOC vs ricetrasmettitori).
• Rischio di resa — l’allineamento e il bonding vengono eseguiti prima che il motore possa essere testato completamente.
• Solo multimodale in pratica — la portata è limitata dalla combinazione VCSEL/MMF.

COB e diagnostica

Poiché gli otto laser condividono una scheda e un ambiente termico, invecchiano insieme — ma non in modo identico. Il guasto COB classico è una lane di una matrice SR4/SR8 che perde potenza mentre le altre sono a posto, nascosto da LACP o da un «OK» a livello di modulo. Il bias Tx e la potenza Rx per lane sono l’unico avviso precoce (Diagnostica per lane, Guasti). I moduli COB portano la memoria standard SFF-8636 o CMIS sulla stessa scheda; la loro identità è codificata come qualsiasi altro modulo.

In CodingBox

CodingBox legge i moduli basati su COB e le estremità degli AOC come qualsiasi QSFP/QSFP-DD: la DDM per lane nella schermata DDM mostra la lane che si sta degradando, e l’EEPROM editor codifica l’identità che un host si aspetta — l’unica cosa di un modulo COB che può essere cambiata dopo che ha lasciato la fabbrica.

Il COB a confronto con TO-can e package a scatola, con tolleranze di allineamento e affidabilità: Packaging ottico; i motori COB come estremità degli AOC: Interni del cavo; i passaggi di fabbrica che il COB elimina: Produzione e collaudo.