แพ็กเกจแบบ Chip-on-board (COB)

ชิปบนบอร์ด คือวิธีสร้างส่วนหน้าเชิงแสงโดยไม่ใช้ชิ้นส่วนที่บรรจุแยกทีละตัว โดยชิปเปลือยของเลเซอร์และโฟโตไดโอดถูกติดกาวและบอนด์ลวดลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ของโมดูลโดยตรง (หรือตัวรองรับขนาดเล็ก) แล้วครอบด้วยอาร์เรย์เลนส์ที่เชื่อมโยงแสงเข้ากับเฟอร์รูลของใยแก้วนำแสงโดยตรง นี่คือเหตุผลที่ออปติกระยะสั้นแบบขนานและสายเคเบิลออปติคัลแบบแอ็กทีฟมีราคาถูกและความหนาแน่นสูงได้ถึงเพียงนี้ และก็เป็นเหตุผลที่ซ่อมแซมไม่ได้เช่นกัน

บรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมเทียบกับ COB

COB ถูกใช้ที่ใดบ้าง

• ออปติกมัลติโหมดแบบขนาน — 40G SR4, 100G SR4, 200G/400G SR8, 800G SR8: อาร์เรย์ VCSEL และอาร์เรย์ PIN ที่เข้าคู่กัน มี 4 หรือ 8 อิลิเมนต์ แต่ละชุดอยู่หลังอาร์เรย์เลนส์แบบขึ้นรูป เชื่อมต่อเข้ากับเฟอร์รูล MPO-12 หรือ MPO-16
• สายเคเบิลออปติคัลแบบแอ็กทีฟ (AOC) — เอนจิน COB อยู่ที่ปลายทั้งสองด้าน พร้อมใยแก้วนำแสงที่ติดตั้งถาวร ไม่มีรีเซปตาเคิลเลย ซึ่งช่วยขจัดการสูญเสียจากการเชื่อมโยงและต้นทุนส่วนนั้นไปได้
• ออปติกบนบอร์ด/COBO — เอนจินเชิงแสงติดตั้งอยู่บนบอร์ดของโฮสต์ใกล้กับ ASIC แทนที่จะอยู่ในเคจแบบถอดเสียบได้
• ออปติกแบบบรรจุร่วม (CPO) — แนวคิดเดียวกันที่ผลักไปถึงขีดสุด: ชิปเชิงแสงถูกบรรจุลงบนซับสเตรตของ ASIC ของสวิตช์
• การออกแบบซิงเกิลโหมดบางแบบก็ใช้ COB เช่นกัน (ชิป DFB/EML แบบปล่อยแสงทางขอบบนตัวรองรับที่มีวงจรคลื่นแสงระนาบ) แต่ข้อกังวลเรื่องการปิดผนึกแน่นทำให้ออปติกซิงเกิลโหมดส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในกระป๋องหรือในบรรจุภัณฑ์แบบซิลิคอนโฟโตนิกส์

VCSEL เหมาะกับ COB เป็นพิเศษ เนื่องจากปล่อยแสงตั้งฉากกับเวเฟอร์ จึงทดสอบทั้งอาร์เรย์ได้ก่อนตัดแยก วางหงายหน้าขึ้นบนบอร์ด และเชื่อมโยงด้วยเลนส์ธรรมดา — ไม่ต้องผ่าหน้าตัด ไม่ต้องเชื่อมโยงทางขอบ (ชนิดของเลเซอร์)

วิธีสร้างเอนจิน COB

1. ซับสเตรต — ตัวบอร์ดของโมดูลเอง หรือตัวรองรับ (เซรามิก, ซิลิคอน, แก้ว) ที่จะถูกบัดกรีลงบนบอร์ดในภายหลัง ลายวงจรความเร็วสูงทอดยาวไปยังไอซีของไดรเวอร์และ TIA ที่วางห่างจากชิปเชิงแสงเพียงไม่กี่มิลลิเมตร
2. การติดตั้งชิป — อาร์เรย์ VCSEL, อาร์เรย์ PIN, ชิปไดรเวอร์และ TIA ถูกยึดด้วยอีพอกซีนำไฟฟ้าหรือบัดกรี AuSn โดยมีเครื่องหมายอ้างอิงตำแหน่งสำหรับการจัดแนวอยู่บนซับสเตรต
3. การบอนด์ลวด — ลวดทองคำจากแพดของชิปไปยังแพดของซับสเตรต ความยาวของจุดบอนด์ถูกทำให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะเป็นค่าพาราสิติกหลักที่ 25–100G
4. อาร์เรย์เลนส์ — ชิ้นส่วนแก้วหรือโพลิเมอร์ที่ขึ้นรูป มีเลนส์หนึ่งตัวต่อเลนและมีเดือยจัดแนว วางตำแหน่งด้วยระบบแมชชีนวิชันตามเครื่องหมายอ้างอิงตำแหน่ง (การจัดแนวแบบพาสซีฟ) หรือจัดแนวเชิงรุกพร้อมตรวจติดตามกำลังที่เชื่อมโยงได้
5. การห่อหุ้ม — เจลใสหรือกล็อบท็อปคลุมชิปและจุดบอนด์ หรือใช้ฝาปิด เส้นทางแสงยังคงเปิดผ่านเลนส์ได้
6. เฟอร์รูล — เฟอร์รูล MT พร้อมริบบอนใยแก้วนำแสงเสียบเข้ากับเดือยนำของอาร์เรย์เลนส์ ทำให้เกิดอินเทอร์เฟซ MPO ที่แผ่นหน้าของโมดูล (หรือใยแก้วนำแสงแบบติดตายของ AOC)
7. การทดสอบ — ทำได้หลังการประกอบเท่านั้น ได้แก่ แผนภาพตาและกำลังต่อเลน เลนที่ไม่ผ่านหมายถึงเอนจินถูกทิ้งหรือถูกลดเกรด

ข้อดี

• ต้นทุนเมื่อผลิตปริมาณมาก — ไม่ต้องใช้กระป๋องปิดผนึกแน่น ใช้ขั้นตอนจัดแนวเพียงครั้งเดียวสำหรับแปดเลน
• ความหนาแน่น — แปดเลนในพื้นที่เท่ากระป๋องสองใบ ทำให้ SR8 และ AOC เป็นไปได้
• สมรรถนะความเร็วสูง — จุดบอนด์สั้น ไดรเวอร์และ TIA อยู่ติดกับชิป ค่าพาราสิติกต่ำ
• เส้นทางระบายความร้อน — ชิปวางอยู่บนลายทองแดงของบอร์ดแทนที่จะอยู่ภายในกระป๋อง
• การทำงานอัตโนมัติ — การหยิบวางและการจัดแนวด้วยระบบวิชันขยายกำลังการผลิตได้ถึงระดับล้านหน่วย

ข้อเสีย

• ไม่ปิดผนึกแน่น — ความชื้นและสิ่งปนเปื้อนเข้าถึงชิปได้ VCSEL และ PIN ทนต่อสิ่งนี้ได้ดี ส่วนเลเซอร์แบบปล่อยแสงทางขอบทนได้น้อยกว่า คุณภาพของสารห่อหุ้มเป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือในระยะยาว
• ซ่อมแซมไม่ได้ — VCSEL เพียงตัวเดียวที่เสื่อมสภาพในอาร์เรย์ 8 เลนทำให้ต้องเลิกใช้ทั้งโมดูลหรือทั้งสาย สำหรับ AOC หมายถึงต้องดึงสายเส้นใหม่มาแทน (DAC เทียบกับ AOC เทียบกับทรานซีฟเวอร์)
• ความเสี่ยงด้านผลผลิต — การจัดแนวและการบอนด์เกิดขึ้นก่อนที่จะทดสอบเอนจินได้อย่างครบถ้วน
• ในทางปฏิบัติใช้ได้กับมัลติโหมดเท่านั้น — ระยะส่งถูกจำกัดโดยการจับคู่ VCSEL/MMF

COB กับการวินิจฉัย

เนื่องจากเลเซอร์ทั้งแปดตัวใช้บอร์ดเดียวกันและสภาพแวดล้อมทางความร้อนเดียวกัน จึงเสื่อมสภาพไปพร้อมกัน แต่ไม่เท่ากันเป๊ะ ความล้มเหลวแบบคลาสสิกของ COB คือหนึ่งเลนในอาร์เรย์ SR4/SR8 สูญเสียกำลังไปในขณะที่เลนอื่นยังปกติดี ซึ่งถูกซ่อนไว้โดย LACP หรือโดยสถานะ “OK” ระดับโมดูล ไบอัส Tx และกำลัง Rx แยกตามเลนเป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้าเพียงอย่างเดียวที่มี (การวินิจฉัยรายเลน, ความล้มเหลว) โมดูล COB มีหน่วยความจำตามมาตรฐาน SFF-8636 หรือ CMIS อยู่บนบอร์ดเดียวกัน ข้อมูลระบุตัวตนของมันถูกเขียนโค้ดเหมือนโมดูลอื่นทั่วไป

ใน CodingBox

CodingBox อ่านโมดูลที่ใช้ COB และปลายสาย AOC เหมือน QSFP/QSFP-DD ทั่วไป DDM แยกตามเลนบนหน้าจอ DDM แสดงให้เห็นเลนที่กำลังจะตาย และ EEPROM editor เขียนโค้ดข้อมูลระบุตัวตนตามที่โฮสต์คาดหวัง — สิ่งเดียวเกี่ยวกับโมดูล COB ที่เปลี่ยนแปลงได้หลังจากออกจากโรงงานแล้ว

COB เทียบกับกระป๋อง TO-can และบรรจุภัณฑ์แบบกล่อง พร้อมค่าเผื่อการจัดแนวและความน่าเชื่อถือ: บรรจุภัณฑ์เชิงแสง เอนจิน COB ที่ทำหน้าที่เป็นปลายทั้งสองด้านของ AOC: โครงสร้างภายในสาย ขั้นตอนในโรงงานที่ COB ตัดทิ้งไป: การผลิตและการทดสอบ