1 Hänsel (HEPHY Wien) 56te OEPG Tagung Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker...
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1Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker End Caps
HEPHY Wien
Josef Hrubec
Manfred Krammer
Marko Dragicevic
Stephan Hänsel
Thomas Bergauer
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2Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Die TEC Module
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3Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Die TEC Kollaboration
● Rahmen Produktion – 5 Institute● Hybrid Produktion – 6 Institute● Modul Produktion – 14 Institute● Petal Produktion – 7 Institute● TEC Zusammenbau – 2 Institute
Keine leichte Aufgabe die Modul Produktion zentral von Wien aus zu koordinieren!
Benötigte Module TEC (exklusive 6% Spares):
R1N: 144R1S: 144R2N: 288R2S: 288R3: 640R4: 576R4A: 432R5N: 720R5S: 720R6: 864R6A: 144R7: 1440
Gesamt TEC: 6400
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4Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
ROD INTEGRATION
AachenKarlsruheStrasbourgZurichWien
PETALS INTEGRATION Aachen
Brussels Karlsruhe
Louvain
Lyon Strasbourg
Wien Lyon
TEC assemblyTEC assembly
Pitch adapter:Factories Brussels
TK ASSEMBLY CERN TIF
LouvainKarlsruhe
BariPerugia
Bari FirenzeTorinoPisaPadova
-TIB+TID INTEGRATION
FNAL
UCSB
TOB assembly TIB/TID assemblyCERN Pisa Aachen Lyon@CERN
Karlsruhe
FNAL
Sensor QAC
Moduleassembly
Bonding & testing
Sub-assemblies
UCSB
FNAL
Integrationinto mechanics UCSB
Hamburg
Hybrids:Factory-Strasbourg
Sensors:Factories
Kapton:FactoryAachen, Bari
Frames:Brussels,Pisa,Pakistan
Pisa Perugia
FE-APV:Factory IC,RAL
Control ASICS:Factory Comany (QA)
Brussels
HH
CERN
CF cuttingFactory
CF plates:FactoryBrussels
CF cuttingFactory
Florence TorinoPisa
Rochester Wien
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5Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Tests vor dem Zusammenbau
• Sensor Tests (siehe Talk von T.Bergauer)• Test der Kapton Rahmen: - Messung der Kapazitäten und
Widerstände (Anschluss der Hochspannung, backplane Isolation, Thermistoren)
• Front End
Hybrid Tests:
- Optische
Inspektion
- Elektrischer
Test
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6Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Der Front End Hybrid
2:1 Multiplexer● 2 APVs werden zu einem Kanal gebündelt
PLL Chip● entschlüsselt Clock & trigger Signal
Detector Control Unit (DCU)● Hybrid und Sensor Temperatur, low voltages, leakage current
4 lagiges Kapton Substrat auf Keramikträger laminiert
Pitch Adapter
6 APV25 Auslese Chips● strahlungsharte kommerzielle m CMOS Technologie● 128 Kanäle pro APV
Feindraht Bonds
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7Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Hybrid Probleme + Lösungen
altes Design neues DesignBad via
1.) Kapton Kabel nicht ausreichend unterstützt -> neues Layout des Rigidifiers
2.) unterbrochene via Verbindungen
- von 100 m zu 120 m
- zusätzliche Kapton Schicht
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8Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Modul Zusammenbau in Wien
Koordinatenmessmaschine ermöglicht eine auf m genaue Ausrichtung der einzelnen Teile
Vakuum Anschluss
Stiffener
Widerstände + Kapazitäten + Thermistoren
Backplane HV-Verbindung
Poröse Fläche -> Fixierung aller TeileKarbon Rahmen
Präzisionstisch
Support Plättchen
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9Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Zusammenbau – Qualität gesamt TEC
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10Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Feindraht Bonden in WienDelvotec 6400 Wire Bonder
25 μm Aluminium Draht
Pulltest: Pullforce > 6g
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11Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Backplane HV – Problem + Lösung
• Normale Backplane-HV Verbindung mit mind. 5 Punkten Leitkleber (EPO-TEK EE 129-4)
• Einzelne Module mit einem Widerstand > 1M (sollte < 1 sein) und allgemeiner Trend einer Vergrößerung des Widerstandes durch Thermal Cycles
→ Verstärkung mit zusätzlicher Kleberfläche
• Keine Verschlechterung mehr
• Zusätzliches Bonden um 100%ige Sicherheit zu erlangen
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12Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
ARCs Teststand
Testbox - Trockenluft - Lichtdicht - EM-Schild Modul Transportbox
ARC Board
Power Supply
DEPletion Power board
LED16 controller
Trockenluft
Standard PC
Teststand in Wien
NIM Crate
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13Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Modul Test in Wien1. Modul ARCs Test (Testbox)
2. Modul ARCs Test
Thermal Cycle (-15° bis +30°)
in der Coolingbox
Reparatur wenn notwendig (Pinholes, Shorts, Saturated Channels, bad IV, …) + wiederholter Modul Test
Versendung zu den Petals Integration Centern
ARC Auslese System: front-end adapter; ARC board; PCMIO interface card; LED Emitter
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14Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Qualität der TEC Module
Produzierte Module: 7228
Anzahl der Module
außerhalb der Spezifikationen
I(450V) > 10 muA / Sensor 31 (0,43%)
1 Sensor Modules: 2876
Faulty 12 (0,42%)
2 Sensor Modules: 4352
Faulty 19 (0,44%)
# bad channels > 2% 57 (0,79%)
Modules with 4 APVs: 4589
faulty 35 (0,76%)
Modules with 6 APVs: 2639
faulty 22 (0,83%)
Anzahl der schlechten Streifen auf guten
Modulen
8263 (0,2 %) von 4.096.256
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15Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Finale Statistik
Finaler Status TEC
(nach Montage auf Petals und Reparaturen)
# of modules
assembled 7228
total good 6761 (93,54%)
total bad 467 (6,46%)
TEC needed 6400
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16Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Defekte Module nach Abschluss der Produktion
• Bei der Montage auf Petals wurde viele Module beschädigt• größte Fehlerquellen:
– Hauptteil: TOUCHED BONDS – teilweise reparierbar– zerbrochene Sensoren– zerkratzte Sensoren– Feuchtigkeitsprobleme – teilweise behebbar– ARC-Tests mit falschen (veralteten) Cuts – behebbar– gebrochen Rahmen– …
→ ein sehr großer Aufwand musste betrieben werden, um die Module zu reparieren oder zumindest die Sensoren (wenn möglich) zu retten – Koordination von Wien → Sensor Recycling in Wien → Wien entwickelte sich zum Repair-Center
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17Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Finale Aufteilung der defekten Module
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18Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Modul Petalsback side Petal
R2
R4
R6
front side Petal
R3 R1R5
R7
Vergrößert
Für TEC werden 288 Petals in 8 verschiedenen Geometrien benötigt!
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19Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
TEC
Trotz allen Hürden werden in TEC nur 0,2% von über 4 Millionen Auslesekanäle schlecht sein.
Erste Auslesetests mit Hilfe von kosmischen Myonen liefen perfekt.
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20Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
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21Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Modul Tests – Noise Dec Inv Off
typische noise Kurve eines Moduls
aus Kalibrationspuls gemittelt über alle TEC Module:
1 ADC-Count entspricht ca. 770e-