Encapsulamento chip-on-board (COB)

Chip-on-board é uma forma de construir o front-end óptico sem peças encapsuladas individualmente: os dies nus do laser e do fotodiodo são colados e conectados por wire bonding diretamente à placa de circuito impresso do módulo (ou a um pequeno carrier), depois cobertos por um array de lentes que os acopla diretamente à ferrola da fibra. É o motivo pelo qual as ópticas paralelas de curto alcance e os cabos ópticos ativos são tão baratos e densos quanto são — e o motivo pelo qual não podem ser reparados.

Encapsulamento clássico vs COB

Onde o COB é usado

• Ópticas paralelas multimodo — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: um array VCSEL de 4 ou 8 elementos e um array PIN correspondente, cada um atrás de um array de lentes moldado, acoplados a uma ferrola MPO-12 ou MPO-16.
• Cabos ópticos ativos (AOC) — um engine COB em cada extremidade com a fibra permanentemente fixada; sem receptáculo algum, o que elimina a perda de acoplamento e o custo associado.
• On-board optics / COBO — engines ópticos montados na placa host perto do ASIC, em vez de dentro de uma gaiola (cage) plugável.
• Co-packaged optics (CPO) — a mesma ideia levada ao limite: dies ópticos encapsulados no substrato do ASIC do switch.
• Alguns projetos monomodo também usam COB (dies DFB/EML de emissão lateral em um carrier com um circuito óptico planar), mas questões de hermeticidade mantêm a maior parte das ópticas monomodo em cans ou em encapsulamentos de fotônica de silício.

Os VCSELs se adequam especialmente bem ao COB: eles emitem perpendicularmente ao wafer, de modo que um array pode ser testado antes do dicing, posicionado com a face para cima na placa e acoplado com uma lente simples — sem clivagem de faceta, sem acoplamento por borda (Tipos de laser).

Como um engine COB é construído

1. Substrato — a própria PCB do módulo, ou um carrier (cerâmica, silício, vidro) que depois é soldado à PCB; trilhas de alta velocidade vão até os ICs driver e TIA posicionados a milímetros dos dies ópticos.
2. Fixação do die — array VCSEL, array PIN, dies de driver e TIA fixados com epóxi condutivo ou solda AuSn; fiduciais de alinhamento no substrato.
3. Wire bonding — fios de ouro dos pads do die aos pads do substrato; o comprimento do wire bond é mantido mínimo porque é o principal elemento parasita em 25–100G.
4. Array de lentes — uma peça moldada de vidro ou polímero com uma lente por lane e pinos de alinhamento, posicionada por visão de máquina em relação aos fiduciais (alinhamento passivo) ou de forma ativa enquanto monitora a potência acoplada.
5. Encapsulamento — um gel transparente ou glob-top sobre os dies e os wire bonds, ou uma tampa; o caminho óptico permanece aberto através da lente.
6. Ferrola — uma ferrola MT com a fita de fibra encaixa-se nos pinos-guia do array de lentes, apresentando uma interface MPO no painel frontal do módulo (ou a fibra fixa de um AOC).
7. Teste — somente após a montagem: diagrama de olho e potência por lane. Uma lane com falha significa um engine descartado ou rebaixado de categoria.

Vantagens

• Custo em volume — sem cans herméticos, uma única etapa de alinhamento para oito lanes.
• Densidade — oito lanes na área ocupada por dois cans; viabiliza SR8 e AOC.
• Desempenho em alta velocidade — wire bonds curtos, driver e TIA ao lado dos dies, parasitas reduzidos.
• Caminho térmico — os dies ficam sobre o cobre da placa em vez de dentro de um can.
• Automação — pick-and-place e alinhamento por visão escalam para milhões de unidades.

Desvantagens

• Não hermético — umidade e contaminantes atingem os dies; VCSELs e PINs toleram bem essa exposição, os lasers de emissão lateral menos. A qualidade do encapsulante determina a confiabilidade a longo prazo.
• Sem reparo — um único VCSEL degradado em um array de 8 lanes aposenta o módulo ou o cabo inteiro; com um AOC isso significa puxar o cabo novamente (DAC vs AOC vs transceptores).
• Risco de yield — o alinhamento e o wire bonding são realizados antes que o engine possa ser totalmente testado.
• Multimodo apenas na prática — o alcance é limitado pela combinação VCSEL/MMF.

COB e diagnóstico

Como os oito lasers compartilham uma única placa e um único ambiente térmico, eles envelhecem juntos — mas não de forma idêntica. A falha clássica do COB é uma lane de um array SR4/SR8 perdendo potência enquanto as demais estão normais, mascarada pelo LACP ou por um “OK” em nível de módulo. O bias de Tx e a potência de Rx por lane são o único aviso antecipado (Diagnóstico por lane, Falhas). Os módulos COB carregam a memória padrão SFF-8636 ou CMIS na mesma placa; a identidade deles é codificada como a de qualquer outro módulo.

No CodingBox

O CodingBox lê módulos baseados em COB e extremidades de AOC como qualquer QSFP/QSFP-DD: o DDM por lane na tela DDM mostra a lane que está morrendo, e o EEPROM editor codifica a identidade que um host espera — a única coisa em um módulo COB que pode ser alterada depois que ele sai da fábrica.

COB comparado a TO-cans e encapsulamentos em caixa, com tolerâncias de alinhamento e confiabilidade: Encapsulamento óptico; engines COB como as extremidades de AOCs: Interior do cabo; as etapas de fábrica que o COB elimina: Fabricação e testes.