1 Hänsel (HEPHY Wien) 56te OEPG Tagung Qualität der Silizium Sensor Module für die CMS Tracker End Caps HEPHY Wien Josef Hrubec Manfred Krammer Marko Dragicevic

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


Die TEC Module


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


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


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


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


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


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


Zusammenbau – Qualität gesamt TEC


Feindraht Bonden in WienDelvotec 6400 Wire Bonder

25 μm Aluminium Draht

Pulltest: Pullforce > 6g


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


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


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


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


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


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


Finale Aufteilung der defekten Module


Modul Petalsback side Petal

R2

R4

R6

front side Petal

R3 R1R5

R7

Vergrößert

Für TEC werden 288 Petals in 8 verschiedenen Geometrien benötigt!


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.



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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