칩온보드(COB) 패키징

칩온보드는 개별적으로 패키징된 부품 없이 광 프런트엔드를 만드는 방식입니다. 베어 상태의 레이저와 포토다이오드 다이를 모듈의 인쇄회로기판(또는 소형 캐리어)에 직접 접착하고 와이어 본딩하며, 그런 다음 광섬유 페룰에 바로 결합되는 렌즈 어레이로 덮습니다. 병렬 단거리 광학계와 능동 광케이블이 이만큼 저렴하고 고밀도인 이유이며, 동시에 수리가 불가능한 이유이기도 합니다.

기존 패키징 대 COB

COB 활용 분야

• 병렬 멀티모드 광학계 — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: 4소자 또는 8소자 VCSEL 어레이와 이에 대응하는 PIN 어레이를 각각 성형 렌즈 어레이 뒤에 배치하고 MPO-12 또는 MPO-16 페룰에 결합합니다.
• 능동 광케이블(AOC) — 양 끝에 COB 엔진을 두고 광섬유를 영구적으로 접속합니다. 리셉터클이 전혀 없어 결합 손실과 비용이 사라집니다.
• 온보드 광학계/COBO — 광 엔진을 플러거블 케이지가 아니라 ASIC 근처의 호스트 보드에 장착하는 방식입니다.
• 코패키지드 옵틱스(CPO) — 같은 발상을 극한까지 밀어붙인 방식으로, 광 다이를 스위치 ASIC 기판에 패키징합니다.
• 일부 싱글모드 설계도 COB를 사용합니다(평면 광도파로 회로를 갖춘 캐리어 위에 단면 발광 DFB/EML 다이를 배치하는 방식). 다만 기밀성 문제 때문에 대다수 싱글모드 광학계는 여전히 캔 안에 있거나 실리콘 포토닉스 패키지 안에 있습니다.

VCSEL은 COB에 특히 잘 맞습니다. 웨이퍼에 수직으로 발광하므로 다이싱 전에 어레이 상태로 시험할 수 있고, 보드에 앞면이 위를 향하도록 배치한 뒤 단순한 렌즈로 결합할 수 있습니다. 별도의 단면 벽개나 측면 결합이 필요 없습니다(레이저 종류).

COB 엔진 제작 방법

1. 기판 — 모듈 PCB 자체이거나, 나중에 PCB에 납땜되는 캐리어(세라믹, 실리콘, 유리)입니다. 광 다이에서 몇 밀리미터 떨어진 곳에 배치된 드라이버와 TIA IC까지 고속 배선이 이어집니다.
2. 다이 어태치 — VCSEL 어레이, PIN 어레이, 드라이버와 TIA 다이를 전도성 에폭시 또는 AuSn 솔더로 고정합니다. 기판에는 정렬 마크가 있습니다.
3. 와이어 본딩 — 다이 패드에서 기판 패드까지 금선을 연결합니다. 본드 길이는 25–100G에서 가장 큰 기생 성분이므로 최소로 유지합니다.
4. 렌즈 어레이 — 레인마다 렌즈 하나와 정렬 핀을 갖춘 성형 유리 또는 폴리머 부품으로, 머신 비전으로 정렬 마크에 맞춰 배치하거나(수동 정렬) 결합 광출력을 모니터링하며 능동으로 배치합니다.
5. 봉지 — 다이와 본드 위를 투명한 젤이나 글로브탑으로 덮거나 덮개를 씌웁니다. 광 경로는 렌즈를 통해 열려 있습니다.
6. 페룰 — 광섬유 리본이 달린 MT 페룰을 렌즈 어레이의 가이드 핀에 꽂아, 모듈 전면판에 MPO 인터페이스를 형성합니다(또는 AOC의 고정 광섬유로 이어집니다).
7. 테스트 — 조립이 끝난 뒤에야 레인별 아이 다이어그램과 광출력을 측정합니다. 레인 하나라도 불합격하면 엔진 전체를 폐기하거나 하위 등급으로 재분류합니다.

장점

• 양산 비용 — 기밀 캔이 필요 없고, 8레인을 정렬 단계 한 번으로 처리합니다.
• 밀도 — 캔 2개 크기의 면적에 8레인을 담아 SR8과 AOC를 가능하게 합니다.
• 고속 성능 — 짧은 본드, 다이 바로 옆의 드라이버와 TIA, 낮은 기생 성분.
• 열 경로 — 다이가 캔 내부가 아니라 보드의 구리 위에 놓입니다.
• 자동화 — 픽앤플레이스와 비전 정렬은 수백만 개 단위까지 확장됩니다.

단점

• 비기밀 — 습기와 오염물질이 다이에 도달합니다. VCSEL과 PIN은 이를 잘 견디지만 단면 발광 레이저는 그렇지 못합니다. 장기 신뢰성은 봉지재 품질이 좌우합니다.
• 수리 불가 — 8레인 어레이에서 VCSEL 하나만 열화되어도 모듈이나 케이블 전체를 폐기해야 합니다. AOC라면 케이블을 재포설해야 한다는 뜻입니다(DAC 대 AOC 대 트랜시버).
• 수율 위험 — 엔진을 완전히 테스트하기도 전에 정렬과 본딩을 마쳐야 합니다.
• 사실상 멀티모드 전용 — 전송 거리가 VCSEL/MMF 조합의 한계에 묶입니다.

COB와 진단

레이저 8개가 보드 하나와 열 환경 하나를 공유하므로 함께 노화되지만 똑같이 노화되지는 않습니다. COB에서 흔히 나타나는 고장은 SR4/SR8 어레이에서 레인 하나만 광출력을 잃고 나머지는 정상인 경우이며, 이는 LACP나 모듈 단위의 “OK” 표시에 가려 드러나지 않습니다. 레인별 Tx 바이어스와 Rx 광출력만이 유일한 조기 경고입니다(레인별 진단, 장애). COB 모듈은 같은 보드에 표준 SFF-8636 또는 CMIS 메모리를 탑재하며, 다른 모듈과 마찬가지로 식별 정보가 코딩되어 있습니다.

CodingBox에서

CodingBox는 COB 기반 모듈과 AOC 양 끝을 일반 QSFP/QSFP-DD와 똑같이 읽어냅니다. DDM 화면의 레인별 DDM이 죽어가는 레인을 보여주고, EEPROM editor는 호스트가 기대하는 식별 정보를 코딩합니다. 이것이 COB 모듈에서 공장을 나선 뒤에도 바꿀 수 있는 유일한 부분입니다.

COB를 TO-can 및 박스 패키지와 비교하며 정렬 공차와 신뢰성을 다룬 페이지: 광학 패키징; AOC 양 끝에 쓰이는 COB 엔진: 케이블 내부 구조; COB가 없애는 공장 공정 단계: 제조와 테스트.