Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20041 AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS Tracciatore Magnete...

Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 2004 1

AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS

Tracciatore

Magnete (Pasquale)Ecal (Marcella)


Costruzione moduli TIB-TOB-TEC


Produzione dei moduli TIB

Moduli costruiti: 726 (20.2%), moduli buoni 699 (resa 96%). Raggiunto il rate di produzione giornaliero previsto di 16 moduli/giorno. Centri Gantry: Bari e Perugia. Centri di test e saldatura: Bari, Catania, Firenze, Padova, Pisa, Torino. Necessario/possibile passare a 24 moduli al giorno per finire alla data prevista.

Hamamatsu thin sensors 75% done

Hybrid Assemblycritical

Hybrid Deliverynot critical

24/d

16/d


Passare da 16 a 24 moduli al giorno

E’ possibile per i centri di bonding e testing. Il collo di bottiglia risultano essere i centri gantry. Sono stati gia’ costruiti i piatti in piu’ necessari. Ogni piatto contiene 4 moduli. Si passerebbe dai 2 piatti al giorno per centro gantry a 3 piatti al giorno per centro. La cosa e’ stata dimostrata sia a Perugia che a Bari ma, come sempre, si e’ sottovalutata la quantita’ di lavoro accessorio che cresce con il numero di moduli prodotti (ispezione ottica degli ibridi, documentazione, inserimento dati nel database, calibrazioni e diagnostica di controllo piu’ frequente ecc).

Per mantenere il ritmo di 24 moduli al giorno c’e’ necessita’ di un aiuto straordinario (FAI) per 6 mesi in ciascun centro gantry.


Stato ibridi

Riscontrato un difetto importante in una frazione non trascurabile di ibridi. Un “via” che porta 1.25V ai chip e’ difettoso (contatto debole). Effetto: i chip funzionano ma compare una deriva sui piedistalli (rischi a lungo termine ?)

La Cicorell ha investigato e corretto il problema: combinazione di una metallizzazione sotto specifica in alcuni particolari batch di produzione e specifiche “al limite” per la foratura laser del via. Cambiate le specifiche di foratura per le nuove produzioni in maniera da rendere il contatto indipendente dalle fluttuazioni di spessore della metallizzazione.


Stato ibridi

Messo a punto un test di diagnostica rapida (controllo di stabilita’ del piedistallo sotto forte illuminazione). E sono stati testati tutti gli ibridi attualmente in pipeline (5135). La frazione di ibridi a rischio e’ variabile da batch a batch e da disegno a disegno (erratiche fluttuazioni della metallizzazione).TIB 6/1285 (0.47%)TEC 7/1748 (0.40%)TOB 80/ 2102 (3.8%)Un grosso batch del TOB (1400 ibridi) e’ a rischio e verra’ probabilmente rigettato. La frazione di ibridi TEC e TIB a rischio e’ considerata accettabile. TIB e TEC continuano la produzione dei moduli. TOB e’ in stand-by. Test accurati sugli ibridi “buoni” dei batch difettosi (stress termici ripetuti etc.).Per sicurezza si stanno ritestando anche tutti gli ibridi TIB montati in moduli (700). Ritestati ad oggi circa 300 moduli TIB: zero difetti di via.


Meccanica TIB : 4 cilindri (x2)

Layer 4&1 Backward

TIB : L1, L2, L3, L4 (F/B). Tutti pronti.Survey effettuato su tutti.Dimensioni entro specifiche.Parte strutturale TIB completata in tempo.

Layer 4&3 Forward


Attrezzature per l’inserzione nel TOB

Si sta preparando il trial assembly: inserzione del TIB completo nel TOB (giugno) e l’esercizio di cablatura completa di un settore sul mock-up generale del tracciatore (luglio).

“cradles”


Attrezzatura per il trasporto


Integrazione

Montare moduli, mother cables, ibridi ottici analogici e DOM su 22 strutture meccaniche (16 semi-gusci e 6 dischi) servite dal sistema di raffreddamento e con gli elementi di precisione integrati.


Ingredienti per l’integrazione

Moduli (Catania, Bari, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino)

Mother cables ed “interconnect boards” (Bari)

CCUM (CERN)CCUM (CERN)

AOH (Perugia)

DOM (Firenze)DOM (Firenze)


Integrazione meccanicaPrototipo Layer#3 pronto per fase di integrazione dei moduli.Planarita’ dei ledge ~54m. Popolato di moduli Maggio-Giugno


Attrezzature per l’integrazione

Estensione per sorreggere provvisoriamente cavi e servizi

Semi-guscio

Attrezzatura per il montaggio dei moduli


Capita l’origine del CMN

Studi fatti su un modulo TEC, ci hanno portato a capire l’origine del CMN che si presenta in una frazione dei moduli TOB prodotti con sensori ST.

Il fenomeno e’ stato confermato e verificato dai nostri colleghi USA.

Costruito ad UCSB. Ricevuto a Pisa il 14 Marzo. Le indagini sono iniziate il 22 Marzo ed il risultato presentato a CMS il 15 Aprile.


Diagnostica preliminare: test iniziali

Noise of strip #96 @ 400V = 60 ADC counts ! Ch 96 noisy already @ 30V; CMN switched on @80V ! Strip #360: normal leaky strip (no CMN). The results reproduce perfectly the data obtained at UCSB.

I @ 450 Volt = 13,3 A (1-2A expected from QTC)


•intrinsic micro-discharge due to STM implant technology• effect of the leaky strips• in-appropriate handling• mechanical deformations (vacuum effect)• sensitivity to humidity• abnormal time structure of the leakage current• degradation of the leakage current with time?

Most/all explanations were concentrated on some intrinsic weakness of the STM sensors BUT NO CONCLUSIVE EVIDENCE HAS BEEN FOUND SO FAR.

Dopo avere dimostrato (febbraio) che la degradazione della corrente di leakage nel tempo compariva essenzialmente soltanto in sensori danneggiati meccanicamente, abbiamo concentrato la nostra attenzione sull’interazione sensore-elettronica.

Spiegazioni proposte


R

Ipotesi e set-up di misura

Usando una resistenza variabile esterna per connettere a massa il bias-ring dei sensori e’ possibile utilizzare la corrente totale per aumentare il potenziale del bias/ring e quindi dell’ impianto. Sono state usate resistenze da100k a 7M. Il CMN dovrebbe sparire quando viene restaurata la corretta differenza di potenziale fra striscia metallica ed impianto.

+0.75V

La tensione positiva all’ ingresso dell’ APV puo’ indurre un breakdown precoce in una frazione di strisce compatibile con la frequenza del CMN (10-4)


CMN vs Vbias@ R= 0M

Strip noisy @ 30V and CMN switched on @ 80V


CMN vs Vbias@ R= 5M

Strip noisy @ 350V and NO CMN UP to 500V


IV vs R

The most impressive evidence is the strong dependence of the total sensor current from the small potential applied between implant and metal. A factor 7 reduction in the leakage current which is now compatible with QTC data.


Why a so small potential difference can affect the sensors ?

•Because it affects the field distribution at the edge of the implants.

•The metal over-hang at a positive potential with respect to the implants favors the breakdown.


Metal over-hang

Metal lines 4-8m wider than the corresponding implant strips (metal over-hang) are adopted to increase the breakdown performance. We expect higher fields at large pitch & small w/p. Over-metal moves the high field region from Si to SiO2

Vbrk(Si) = 30 V/m Vbrk(SiO2) = 600 V/m

BUT THE METAL SHOULD BE AT THE SAME OR LOWER POTENTIAL WITH RESPECT TO THE IMPLANT OTHERWISE IT COULD BE DANGEROUS


Metal over-hang at positive V

10nA

I

V

10A

The high density of field lines at the implant edges yields to breakdown. The strip leakage current increases of orders of magnitude. A current of a few A flowing through the poly resistor (1.5M) increases the strip potential to values higher than the metal strip. We jump to the following case.


Metal over-hang at negative V

10nA

I

V

10AThe density of field lines decreases and the strip exits from breakdown. 10 nA flowing through the poly resistor (1.5M) are not able to maintain the implant potential positive with respect to to the metal. We step back to the previous situation.


Huge CMN: intermittent breakdown

The previously described mechanism can explain why this “leaky strip” is so different.

A “normal” breakdown (10A through a single strip) is not sufficient to account for these effects (60 ADC rms noise and CMN on the chip).

It is not a normal breakdown it is an intermittent phenomenon.

To study the time evolution of the process we analyzed the data taken on the module in different conditions..


Data taking in multiframe-mode

Huge variations (oscillations) in the noise behavior. Silent periods followed by explosions.


Back bias voltage

Qoxide AC pad potential Case

+ 500 V

1.0·1010 charge/cm2

Ground A+ 10 Volts B

1.5·1011 charge/cm2

Ground C+ 10 Volts D

Simulation

To understand better the mechanism in our devices, we have asked STM to perform a detailed simulation for OB2 devices (need of using the appropriate doping profiles). The exercise was done for two different oxide charge density (roughly corresponding to Flat Band Voltage of 1V-recent productions- and 5V-old sensors-). Details in Lino’s presentation.


Electric field (detailed view)

Case C Case D

Qox=1.5·1011 charge/cm2

Aluminum

Oxide


Electric field across the implant

The combined effect of oxide charge density and positive voltage on the metal may account for more than a factor 2 increase of the peak. A few percent increase may account for a small probability effect.

Case A

Case B

Case C

Case D

E di breakdown


Conferma del fenomeno USA


Perche’ non si vede nulla nel test dei sensori?

Perche’ I sensori sono testati contattando gli impianti e lasciando il metallo AC floating (stesso potenziale dell’impianto o leggermente inferiore).

PROPOSTA DI SELEZIONE DEI SENSORI POTENZIALMENTE RISCHIO DI MOSTRARE QUESTO EFFETTO UNA VOLTA CHE SIANO ACCOPPIATI ALL’ELETTRONICA.

Testare gli impianti con le strisce del metallo AC polarizzate ad un potenziale positivo di +5V.

La proposta e’ stata adottata ufficialmente dai QTC di CMS dopo che dagli USA e’ venuta la conferma delle nostre ipotesi.

STM si e’ dichiarata disponibile ad implementare la stessa procedura nel loro protocollo di test standard ed a consegnarci, dopo la pre-serie, solo sensori che passano la selezione (la frazione “debole” e’ considerata marginale in termini numerici: 2-3%)


Stato del contratto ST

Consegnata la nuova pre-serie di 1000 sensori.

E’ attualmente sottoposta a qualifica (98% yield)E’ stato adottato lo screening proposto:+5V.

Verranno costruiti in USA 200 moduli con 400 sensori.

Si richiede che il CMN sia presente in una frazione di moduli inferiore al 2%.

Se OK il contratto continua (a meno di politica) altrimenti la produzione dei 12.000 sensori spessi previsti in STM passa ad HPK. Decisione il 23 luglio.

Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20041 AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS Tracciatore Magnete...

Documents

Transcript of Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20041 AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS Tracciatore Magnete...