New techniques in particle detection
description
Transcript of New techniques in particle detection
1
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
New techniques in particle detection
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
Some personal opinions on trends
Advanced Research Workshop 16-20/05/2005
Jean-Robert Lutz
2
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. Outline
- Trends in particle detection
- Issues
- Implementations of existing
techniques
- Conclusions
3
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. From the past …
Sensor
SplitSensitive Volume
Read out
Particle
Noise ?
Amplifiers
Sensitivity ?
Granularity?
SensitivityGranularity
Wiring ? Wiring ?CostYieldPitch
CostYieldPitch
4
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. … to the future
Particle
Silicon Sensor
DigitalOut
Read out
ADCAmpli-fiers
AnalogMUX
SiliconIntegrated
Circuit
ADCAmpli-fiers
AnalogMUX
Silicon front-end
Integrated Circuit
AmplifiersSensor
Wiring ? Wiring ?CostYieldPitch
WiringWiringCostYieldPitch
Noise ?SensitivityGranularity
Noise
0.5-5 Mchannels typically
5
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.The ultimate sensor may exist
Sensor, Amplifier, MUX, ADC, Digital Out
In ONE Silicon INTEGRATED CIRCUIT
This object exists in each camera for light
CMOS pixel sensors are being developed for particles
Working samples exist …
Candidate for STAR tracker upgrade
Particle
SensorAmpli-fiers
MUX ADCDigital
Out
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
6
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. CMOS pixel sensors
Sebastien HEINI, Yann HU, Marc WINTER (IReS - LEPSI)
7
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. Back to present
Granularity needed for geometric resolution
But corresponding wirings face …- Technologic limit- Cost limit
Available wiring option- Wire bonding- …
8
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. Wire bonding
Basic 2D wiring option But 3D ?
9
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. Wire bonding
Basic 2D wiring option Well known techniquePossible to remove a bond
But:• No flexibility for 3D• Pitch adapter for
sensor• High inductance• Limited testability
10
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
How to deal with huge number of wirings
and connections while keeping granularity?
Change wiring technique- from Wire bonding
- to Tape bonding
11
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.TAB: Tape Automated Bonding
TAB connection for CB- Wide pitch (mm)- Limited #
connections- Large production- Au layered Cu- Bonding @ high T°- Reliability- Connects thin IC
Everybody has TABin his pocket
12
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.TAB: Tape Automated Bonding
Microcables technique
Our needs- Narrow pitch
(<100µm)- ~200 connections/chip- Small production- Bonding @ low T°- Good radiation length- Mechanical flexibility- Connects thinned IC- Reliability- Testability
8,64 mm
6,0
8
mm
128 inputs44µm pitchstagered
43 outputs135µm pitch
Viking like chip
13
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.TAB: Tape Automated Bonding
Microcables technique
14
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Tape of Cu-Au microcables
•75µm Kapton•Bending windows•17,5µm Cu•1 µm Au•10k produced
15
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
(metal side)
Chipcable in carrier test frame
(kapton side)
16
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
95µm pitch
44µm pitch
135µm pitch
300µm pitch
TAB connection
88µm
17
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.The assembled module
18
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. TAB drawbacks
Drawbacks- Exotic TAB shape to meet IC input pitch of
44µm- Radiation length of Cu+Au microcables and
hybrids- Bonding @ high T°- Pollution of Si by Au & Cu
19
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. TAB improvement #1
Improvements1. Design IC I/O to meet TAB pitch
requirements2. Integrate components to reduce wirings3. Al microcables and hybrids provided by
Ukraine
20
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Improvement #1: chip
geometryDesign IC I/O geometry
HybridSensor FE chip
8.7 x 6 = 52.2 mm2
Outputpitch135µ
Inputpitch44µ
to meet topology and pitch
Inputpitch80µ
Outputpitch125µ
3.65 x 10.9 = 39.8 mm2
21
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. TAB improvement #2
Improvements1. Design IC I/O to meet TAB pitch
requirements2. Integrate components to reduce wirings3. Al microcables and hybrids provided by
Ukraine
22
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
Improvement #2: integration of external components inside
the IC
50 passivecomponents
10 passivecomponents
23
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. TAB improvement #3
Improvements1. Design IC I/O to meet TAB pitch
requirements2. Integrate components to reduce wirings3. Al microcables and hybrids provided by
Ukraine
24
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Improvement #3: Al chipcable
Cu+Au
Al
Chipcables
X0Al = 89.0mmX0Cu = 14.3mmX0Au = 3.3mm
25
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Improvement #4: Al
subhybrid
HybridsCu+Au
Al
Al = 2.8.10-6Ω.cmCu = 1.7.10-6Ω.cmAu = 1.4.10-6Ω.cm
26
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Radiation length module Al option
X0Al = 89.0mmX0Cu = 14.3mmX0Au = 3.3mm
Al = 2.8.10-6Ω.cm
Cu = 1.7.10-6Ω.cm
Au = 1.4.10-6Ω.cm
module: 0.7% X/X0
45%
21%
15%
10%
9%
sensormechanicselectronic componentsCu cablesother cabling
module: 0.5% X/X0
65%10%
18%
5%
2%
sensormechanicselectronic componentsAl cablesother cabling
Al ALICE module
Cu STAR module
27
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
How to deal with huge number of wirings
and connections while keeping granularity?
Find a way to check automatically
- each chip- each connection to the chip
- connection between electronic
components
28
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Improvement #5:
JTAG inside the chip
Control and test of chip inside and I/O
29
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.Improvement #6:
JTAG on the FE hybrid
Control and Board test inside and I/O (FEE)
30
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image. Conclusions
Wiring is a challenging issue
Future belongs probablyto detectors integrating sensor-FE-
electronics
Present can be significantly improved1. Use of TAB bonding2. Design FE-ICs to meet TAB
requirements3. Integrate components to reduce
wirings4. Use of Al microcables and hybrids5. Use of automated test of wirings