Transcript PHENIX

PHENIXシリコンピクセル検出器
ラダーの組み立て
立教大学 羽木洋介
秋葉康之A, 延與秀人A, 河西実希, 金谷淳平A, 栗田和好, 黒澤真城A, 関本美知子B, 竹谷篤A,
橋本公瑛, 藤原康平C, C. Pancake D, E. Shafto D, Nicole Cassano D, Olivier Drapier E,
Franck Gastaldi E, E.J. Mannel F 他 PHENIX VTX group
理研A, KEK B ,都産技研C ,Stony Brook Univ. D, LLR Ecole Polytechnique E ,
Nevis Lab Colombia Univ. F
1
PHENIX upgrade
クォーク ・ グルーオンプラズマの性質解明
• 重いクォーク c,b
• エネルギー損失の質量依存性
• 楕円型フロー強度v2の質量依存性
粒子識別法
衝突点
• 重いクォークを用いたグルーオンの
スピン偏極度測定 （ΔG/G）
• g-jet 相関を用いたグルーオンの
スピン偏極度測定
検出器への要求
荷電粒子
崩壊距離
陽子のスピン構造の解明
崩壊点
Meson Life time [ct]
B0
457 mm
B+
491 mm
D0
123 mm
D+
312 mm
• 重いクォークの区別
• 高い崩壊距離測定分解能
 s < 100mm
• Jet の再構成
• 広いアクセプタンス
 |h| < 1.2 and f ~ 2p
• 運動量分解能  sp/p ~ 10%
• 低物質量  X/X0 < 12.5%
X0：放射長
• 放射線耐性  1Mrad in 10years
2
シリコン崩壊点検出器
内側2層 ： ピクセル 型検出器
外側2層 : ストリップピクセル 型検出器
4層の円筒構造
ピクセルフルラダー
22.7cm
ストリップピクセルフルラダー
L3 : 31.8 cm
L4 : 38.2cm
VTX
Channel count
Layer
2
3
4
Sensor size
r  z (cm2)
1.28  1.36 (cm2)
(256 × 32 pixels)
3.43 × 6.36 (cm2)
(384 × 2 strips)
Channel size
50  425 mm2
80  1000 mm2
Readout channels
Radiation Length
(X/X0)
1
Total
1,310,720
2,621,440
1.28%
138,240
239,616
5.0 %
ピクセルセンサーモジュール
13.92mm
< Pixel sensor wafer >
56.72mm
• 厚さ : 200mm
• ピクセルサイズ : 50mm×425mm
バンプボンド
センサー
•
•
厚さ : 150mm
チャンネル数 : 8192
< Pixel sensor module >
15mm
• ピクセル数 : 8192×4
読み出し
チップ×４
< ALICE1LHCb r/o chip >
57mm
• ピクセルサイズ : 50mm×425mm
• 総ピクセル数 : 32768
20μm
Solder
4
信号読み出し用バス
Signal-1 3 mm Cu
Bonding pads
Signal-2 3 mm Cu
Signal-3 3 mm Cu
Signal-4 3 mm Cu
500 mm
Power 50 mm Al
GND 50 mm Al
• ポリイミドベースフレキシブルプリント基板
• 最小線幅 ： 30 μm
• 最小線間 ： 30 μm
5
• 信号線数 ： 188 本
ラダー量産組み立て手順
1.センサーとステイブの接着
2.センサーとバスの接着
3.ワイヤーボンディングと封止
ダム剤（Sylgard186）
信号読み出しバス
ラダー断面図 ２枚（左側、右側）
２５０mm
読み出しバス
アラルダイト
ワイヤー 2011
センサー
モジュール 2011
アラルダイト
ステーブ
充填剤（Sylgard186）
ピクセルセンサーモジュール×４
ステイブ（支持体＋冷却系）
１3.8mm
ピクセルラダーの信号線短絡
ワイヤーボンディングによる短絡
ショート
GND
ボンディングパッド
読み出しチップ
• Al ワイヤーボンディング
• パッドピッチ : 120 mm
• ワイヤー径 : 25 mm
読み出しチップと読み出しバスを接続するワイヤーボンディングにおいて、
GND と ショートする可能性
7
短絡検査システムの概要
短絡の定義
抵抗値 ＜ 100 Ω
PC
GPIB cable
スイッチシステム
デジタルマルチメータ
信号線
保護
回路
 スイッチステム ( 7002 SWITCH SYSTEM : KEITHLEY ) による信号線の切り替え
 デジタルマルチメータ ( 2000 MULTIMETER : KEITHLEY ) よる抵抗値の測定
 Visual Basic アプリケーションによる制御・短絡判定・結果の表示
8
ツェナーダイオードを用いた保護回路
ツェナー電圧
i = i1 + i2
1.0E+06
i
１００ Ω
測定抵抗値 [Ω]
1.0E+05
i2
i1
1.0E+04
1.0E+03
1.0E+02
ツェナーダイオードの特性曲線
1.0E+01
1. 高抵抗のとき電圧を上げて測定する
1.0E+00
1.0E+00
2. 電圧が上がると
に電流が流れる
1.0E+01
1.0E+02 i2 1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
真の抵抗値 [Ω]
高抵抗のとき、測定値にズレが起こる
短絡の判定
（＜100Ω） に関して
十分な測定精度
9
Visual Basic アプリケーションによる全自動制御
開発環境：Visual Basic 2008 Express Edition
デジタルマルチメータ と スイッチシステムの 制御と短絡判定を Windows PC 上で行う
○機能
1. GPIB インターフェースによるスイッチ切り替え
2. 短絡の自動判定 ・ 表示
検査時間 ： ２分
3. 測定抵抗値を csv 形式にて自動出力
遠隔地とのデータのやり取り可能
自動制御と短絡判定
検査時間を１時間から２分に短縮
24.7
×
10
短絡検査結果
100Ω
USB
200
180
160
2000 MULTIMETER
140
(KEITHLEY)
PC
ショート
120
100
GPIB
cable
80
Connect
box
60
GND
40
20
0
7002 SWITCH
SYSTEM 0 ～ 100
(KEITHLEY)
Test card
10kΩ以上
Extender
抵抗値[Ω]
Test
card
Ladder
短絡を判断可能
11
まとめ
• PHENIX 実験の為のシリコンピクセル型検出器の量産を進めている
• 全自動短絡検査装置により短絡の判定を可能にした
• 検査工程の簡略化、人為的ミスの排除
• 検査時間 ：１時間 → 2分
• 短絡を判定し、即座に修正が可能に
• 順次生産されているラダーの検査を行っている
• 2010年 PHENIX検出器に本検出器をインストール予定
Back Up
13
Pixel Sensor Module
13.92mm
Silicon Sensor
• Thickness is 200 mm.
56.72mm
read-out chip
50mm
• 425mm(z) x 50mm(f)/pixel
• 32(z) x 256(f) = 8192 pixels
• Thickness is 150 mm
• Operation at 10 MHz
• Power consumption is 1W/chip
256 row
Pixel Read-out Chip (ALICE/LHCb)
425mm
32 column
bump bond
20μm
Solder
silicon sensor
14
Four readout chips and silicon sensor are bump-bonded with 20mm diameter bump.
Pixel Sensor Module
Pixel ASIC
discriminator
input
pad
pre-amp
shaper1
shaper2
synchroniser
enable logic
delay
units
pixel n-1
4-bit
FIFO
D
Q
test
feedback
pulse
bias circuit
analog in
ANALOG
mask
global
threshold
3-bit
threshold
• Pre-amp
• Discriminator (3-bit threshold adjust)
• Mask function
fast OR
trigger strobe
CLK
pixel n+1
DIGITAL
• Synchronizer
• Trigger coincidence logic
• 4 event FIFO buffer
All configuration parameters are controlled through JTAG bus.
15
Readout Bus
Ladder cross section
Four Signal layers
• Data from pixel sensor is sent to SPIRO via
Wire bonding
readout bus.
Power Layers
• Low material budged of X0/X < 0.22%
Pixel sensor
• High density of signal lines
module
(188 lines within 13.9cm).
Support & Cooling
Line pitch is 60 mm
PHENIX Pixel Bus
Signal-1 3 mm Cu
Bonding pads
Signal-2 3 mm Cu
Signal-3 3 mm Cu
pixel sensor module
• Base material : polyimide
• Signal layer (Cu) : 3 mm
• Power/GND layer (Al) : 50 mm
• Total thickness : 400 mm
Signal-4 3 mm Cu
Power 50 mm Al
GND 50 mm Al
16
SPIRO module
Readout scheme
In order to close the PHENIX readout speed requirement, parallel readout
(4 x 32 bit) was made.
Analog Pilot
DATA
parallel
4 x 32 bit
at 10 MHz
2
2
1
2
2
1
1
1 32 bit
32 bit
ASIC
F
Digital Pilot
P
ASIC
CTRL
Digital Pilot
G
ASIC
CTRL A
Analog Pilot
ASIC
OE / EO
GOL
CTRL
GOL
CTRL
CLK
SPIRO Module
32 bit
32 bit
• Number of data lines is 128 ( 4 x 32 bit)
• Readout time is 256 (f) x 2 chips x 10 MHz
= 51.2 ms
• Receive 4 x 32 bit data from sensor
module
• Control pixel readout chips
• Send data via optical link to FEM
17
wire bonding machine
Wire Bonding
Pixel bus and sensor modules are assembled.
PHENIX Pixel Bus
pixel sensor module
Ladder cross section
Readout bus
Bonding wire
Pixel sensor
module
Support & Cooling
• wedge bonding
• pitch : 120 mm
• Diameter of Al wire : 25 mm
K&S 8060
短絡検査結果 （Ladder 10）
GND
10
9
GND
短絡検査装置にて目視では
判断不可能な短絡を発見
プローブ跡削り、ボンディング除去後
10
Pad number
Ladder10
9
短絡数
10
9
抵抗値 [Ω]
目視検査による短絡判定
プローブ跡
ボンディング
Pad name
バス 単体
ボンディング後
削り後
Sensor Module 71 Sensor Module 66 Sensor Module
72 Sensor除去後
Module 63
DAC_REF_VDD 10kΩ以上
43.8
43.3
10kΩ以上
46
DAC_REF_MID
10kΩ以上 32
43.8
42 52.2
45
10kΩ以上
19
ピクセルラダーの問題点１
読み出しバススルーホールの短絡
スルーホール
正常なスルーホールの断面
GND
スルーホール
100μm
20