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 Benötigte Module TEC (exklusive 6% Spares): R1N: 144 R1S: 144 R2N: 288 R2S: 288 R3: 640 R4: 576 R4A: 432 R5N: 720 R5S: 720 R6: 864 R6A: 144 R7: 1440 Gesamt TEC: 6400 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!

CERN TK ASSEMBLY TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly CF plates: FactoryBrussels FE-APV: Factory  IC,RAL Control ASICS: Factory  Comany (QA) Kapton: FactoryAachen, Bari CF cutting Factory CF cutting Factory Sensors: Factories Hybrids: Pitch adapter: Frames: Brussels,Pisa, Pakistan Factory-Strasbourg Factories Brussels CERN Pisa Louvain Karlsruhe Sensor QAC Rochester Perugia Wien Karlsruhe Module assembly FNAL UCSB Perugia Bari Wien Lyon Brussels Bonding & testing FNAL UCSB HH Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen Integration into mechanics ROD INTEGRATION TIB+TID INTEGRATION - Louvain PETALS INTEGRATION Aachen Florence FNAL UCSB Pisa Torino Brussels Lyon Hamburg Strasbourg Karlsruhe TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly TEC assembly Sub-assemblies CERN Pisa Aachen Lyon@CERN TK ASSEMBLY CERN TIF

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 Pitch Adapter 6 APV25 Auslese Chips ● strahlungsharte kommerzielle 0.25 mm CMOS Technologie ● 128 Kanäle pro APV Feindraht Bonds Pitch Adapter 4 lagiges Kapton Substrat auf Keramikträger laminiert 2:1 Multiplexer ● 2 APVs werden zu einem Kanal gebündelt Detector Control Unit (DCU) ● Hybrid und Sensor Temperatur, low voltages, leakage current PLL Chip ● entschlüsselt Clock & trigger Signal

Hybrid Probleme + Lösungen 1.) Kapton Kabel nicht ausreichend unterstützt -> neues Layout des Rigidifiers 2.) unterbrochene via Verbindungen von 100 mm zu 120 mm zusätzliche Kapton Schicht altes Design Bad via neues Design

Modul Zusammenbau in Wien Koordinatenmessmaschine ermöglicht eine auf mm genaue Ausrichtung der einzelnen Teile Widerstände + Kapazitäten + Thermistoren Stiffener Backplane HV-Verbindung Support Plättchen Vakuum Anschluss Poröse Fläche -> Fixierung aller Teile Präzisionstisch Karbon Rahmen

Zusammenbau – Qualität gesamt TEC

Feindraht Bonden in Wien Delvotec 6400 Wire Bonder Pulltest: Pullforce > 6g 25 μm Aluminium Draht

Backplane HV – Problem + Lösung Normale Backplane-HV Verbindung mit mind. 5 Punkten Leitkleber (EPO-TEK EE 129-4) Einzelne Module mit einem Widerstand > 1MW (sollte < 1W 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

Teststand in Wien ARCs Teststand LED16 controller DEPletion Power board Power Supply ARC Board NIM Crate Trockenluft Standard PC Testbox - Trockenluft - Lichtdicht - EM-Schild Modul Transportbox

Thermal Cycle (-15° bis +30°) in der Coolingbox Modul Test in Wien ARC Auslese System: front-end adapter; ARC board; PCMIO interface card; LED Emitter 1. Modul ARCs Test (Testbox) Thermal Cycle (-15° bis +30°) in der Coolingbox 2. Modul ARCs Test Reparatur wenn notwendig (Pinholes, Shorts, Saturated Channels, bad IV, …) + wiederholter Modul Test Versendung zu den Petals Integration Centern

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 19 (0,44%) # bad channels > 2% 57 (0,79%) Modules with 4 APVs: 4589 faulty 35 (0,76%) Modules with 6 APVs: 2639 22 (0,83%) Anzahl der schlechten Streifen auf guten Modulen 8263 (0,2 %) von 4.096.256

(nach Montage auf Petals und Reparaturen) 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 Petals back side Petal Vergrößert R6 R4 R2 front side Petal Für TEC werden 288 Petals in 8 verschiedenen Geometrien benötigt! R1 R3 R5 R7

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 aus Kalibrationspuls gemittelt über alle TEC Module: 1 ADC-Count entspricht ca. 770e- typische noise Kurve eines Moduls