Obudowa chip-on-board (COB)

Chip-on-board to sposób budowy toru optycznego bez pojedynczo obudowanych elementów: gołe kryształy lasera i fotodiody są klejone i bondowane bezpośrednio do płytki drukowanej modułu (lub do niewielkiego nośnika), po czym przykrywa się je matrycą soczewek, która sprzęga je wprost z ferulą światłowodu. To dlatego równoległa optyka krótkiego zasięgu i aktywne kable optyczne są tak tanie i gęste — i dlatego nie da się ich naprawić.

Klasyczna obudowa a COB

Gdzie stosuje się COB

• Równoległa optyka wielomodowa — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: 4- lub 8-elementowa matryca VCSEL i odpowiadająca jej matryca PIN, każda za formowaną matrycą soczewek, sprzężona z ferulą MPO-12 lub MPO-16.
• Aktywne kable optyczne (AOC) — silnik COB na każdym końcu z trwale zamocowanym światłowodem; gniazda nie ma wcale, co eliminuje straty sprzężenia i koszt.
• On-board optics / COBO — silniki optyczne montowane na płycie hosta blisko ASIC, a nie w klatce wpinanej.
• Co-packaged optics (CPO) — ta sama idea doprowadzona do granic: kryształy optyczne obudowane na podłożu ASIC przełącznika.
• Część konstrukcji jednomodowych też korzysta z COB (kryształy krawędziowe DFB/EML na nośniku z planarnym układem falowodowym), ale względy hermetyczności trzymają większość optyki jednomodowej w obudowach typu can lub w obudowach fotoniki krzemowej.

VCSEL-e szczególnie dobrze nadają się do COB: emitują światło prostopadle do płytki (wafer), dzięki czemu matrycę można przetestować przed cięciem, ułożyć na płycie aktywną stroną do góry i sprzęgnąć prostą soczewką — bez łupania krawędzi, bez sprzężenia krawędziowego (Typy laserów).

Jak buduje się silnik COB

1. Podłoże — sama płytka PCB modułu albo nośnik (ceramika, krzem, szkło), później lutowany do płytki; szybkie ścieżki biegną do układów sterownika i TIA, umieszczonych milimetry od kryształów optycznych.
2. Montaż kryształów — matryca VCSEL, matryca PIN oraz kryształy sterownika i TIA mocowane epoksydem przewodzącym lub lutem AuSn; na podłożu — znaczniki justujące.
3. Bondowanie — złote przewody od pól kontaktowych kryształu do pól podłoża; długość drutu ogranicza się do minimum, bo to główny element pasożytniczy przy 25–100G.
4. Matryca soczewek — formowany element szklany lub polimerowy z jedną soczewką na linię i kołkami justującymi, ustawiany systemem wizyjnym względem znaczników justujących (justowanie pasywne) albo aktywnie, przy monitorowaniu sprzężonej mocy.
5. Zalewanie — przezroczysty żel lub glob-top nad kryształami i bondami, albo pokrywa; ścieżka optyczna pozostaje otwarta przez soczewkę.
6. Ferula — ferula MT z taśmą światłowodową nasuwa się na kołki prowadzące matrycy soczewek, dając interfejs MPO na panelu czołowym modułu (lub stałe włókno AOC).
7. Test — dopiero po montażu: diagram oka i moc na każdej linii. Uszkodzona linia oznacza brakowanie silnika albo obniżenie jego klasy jakości.

Zalety

• Koszt przy dużych wolumenach — brak hermetycznych obudów, jeden krok justowania dla ośmiu linii.
• Gęstość — osiem linii w gabarytach dwóch obudów; umożliwia SR8 i AOC.
• Wydajność przy dużych szybkościach — krótkie bondy, sterownik i TIA tuż przy kryształach, niskie parametry pasożytnicze.
• Droga cieplna — kryształy leżą na miedzi płytki, a nie wewnątrz obudowy.
• Automatyzacja — pick-and-place i justowanie wizyjne skalują się do milionów sztuk.

Wady

• Brak hermetyczności — wilgoć i zanieczyszczenia docierają do kryształów; VCSEL-e i PIN-y znoszą to dobrze, lasery krawędziowe gorzej. O długoterminowej niezawodności decyduje jakość zalewy.
• Brak naprawy — jeden zdegradowany VCSEL w 8-liniowej matrycy wycofuje z użytku cały moduł lub kabel; przy AOC oznacza to ponowne przeciąganie kabla (DAC kontra AOC kontra transceivery).
• Ryzyko uzysku — justowanie i bondowanie wykonuje się, zanim silnik można w pełni przetestować.
• W praktyce tylko wielomodowa — zasięg jest ograniczony kombinacją VCSEL/MMF.

COB a diagnostyka

Ponieważ osiem laserów dzieli jedną płytkę i jedno środowisko cieplne, starzeją się razem — ale nie identycznie. Klasyczną awarią COB jest utrata mocy przez jedną linię matrycy SR4/SR8, podczas gdy pozostałe działają prawidłowo, co bywa ukryte przez LACP albo przez „OK” na poziomie modułu. Wartości prądu polaryzacji Tx i mocy Rx dla poszczególnych linii to jedyne wczesne ostrzeżenie (Diagnostyka poszczególnych linii, Awarie). Moduły COB mają standardową pamięć SFF-8636 lub CMIS na tej samej płytce; ich identyfikacja jest kodowana jak w każdym innym module.

W CodingBox

CodingBox odczytuje moduły oparte na COB i końcówki AOC jak każdy QSFP/QSFP-DD: DDM dla poszczególnych linii na ekranie DDM pokazuje linię, która zamiera, a EEPROM editor koduje dane identyfikacyjne, jakich oczekuje host — jedyne, co w module COB da się zmienić po opuszczeniu fabryki.

COB na tle obudów TO-can i obudów typu box, z tolerancjami justowania i niezawodnością: Obudowy optyczne; silniki COB jako końcówki AOC: Wnętrze kabli; etapy produkcji, które eliminuje COB: Produkcja i testowanie.