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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
2Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Die TEC Module
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
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
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
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
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
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
9Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Zusammenbau – Qualität gesamt TEC
10Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Feindraht Bonden in WienDelvotec 6400 Wire Bonder
25 μm Aluminium Draht
Pulltest: Pullforce > 6g
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
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
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
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
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
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
17Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
Finale Aufteilung der defekten Module
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!
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.
20Hänsel (HEPHY Wien)56te OEPG Tagung
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-
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