2018年度 修士論文

ATLAS 実験に用いる新型シリコンピクセル検出器の組立と品質保証の研究

九州大学大学院 理学府 物理学専攻粒子物理学分野 素粒子実験研究室

藤野 主一

指導教員 東城 順治

2019年 2月 24日

　

概要LHC-ATLAS 実験は，エネルギーフロンティアにおける素粒子物理を研究するための国際

共同実験である．LHC (Large Hadron Collider) 加速器はスイス・ジュネーブに所在する世界

最大の陽子-陽子衝突型加速器であり，ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 実験は LHC 加

速器で行われるメインの 4実験のひとつである．主な目的は素粒子標準模型 (SM: Standard

Model) の検証や SM を超える物理の探索であり，2012年には SM を構成する素粒子で当時

唯一未発見であったヒッグス粒子を発見した．その後も運転を続け，ヒッグス粒子の性質の精

密測定や未発見の新粒子の探索に挑んでいる．

2026 年の開始をめざして LHC 加速器の高輝度化計画が進められている．LHC 加速器を

アップグレードし，瞬間ルミノシティは現行の 5倍以上，最終的な積分ルミノシティは現行の

10倍を実現する計画である．ルミノシティを増加し，収集データ量を増すことで，現状では

難しい新物理の探索をさらに進めることが可能になる．一方で検出器は，受ける放射線量の増

加，要求されるデータ読出し速度等に対応する必要がある．そのため，ATLAS実験では各検

出器のアップグレードについて研究を進めている．

本研究では， LHC 加速器の高輝度化に向けたアップグレードのための新型シリコン

ピクセル検出器開発に関して，量産化のための検出器モジュールの組立工程を取り扱っ

た．ここで組立とは，バンプボンディングにより接続されているセンサー・読み出しチッ

プ (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) にフレキシブル基板 (FPC: Flexible

Printed Circuit) およびモジュールを冷却するためのセルと呼ぶブロックを接着し，ASICと

FPCをアルミワイヤーで結線（ワイヤボンディング），保護のため封止，パリレン成膜を施す

という一連の工程であり，合わせて品質管理を行う．量産時には 1日に 5モジュールを組み立

てる必要があり，これを達成するために十分な精度で効率的に組立てる工程を構築することが

必須である．そこで量産に向けた組立工程について研究し，実際にモジュールの組立に成功し

た．また，用いる部材および組立てたモジュールは，実際の運転環境に耐える必要がある．そ

のため，封止材の候補に対し放射線耐性試験，熱サイクル試験を行い，Sylgard 170 封止材を

最適として選定した．さらに，熱サイクル試験の結果から，現在の組立工程で残る開発要素を

指摘し，今後の研究課題とした．

3

　

5

目次

第 1章 序論 11

1.1 標準模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 標準模型を超える物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1 標準模型で説明できない事象 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.2 超対称性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 ATLAS 実験と現状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

第 2章 LHC-ATLAS 実験 14

2.1 LHC 加速器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 ATLAS 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.1 内部飛跡検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 LHC 加速器の運転とアップグレード計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.1 LHC 加速器の高輝度化計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3.2 ATLAS実験の内部飛跡検出器のアップグレード . . . . . . . . . . . 21

第 3章 新型シリコンピクセル検出器 23

3.1 シリコン検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.1 検出器の原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.2 HL-LHC のためのシリコンピクセルセンサー . . . . . . . . . . . . 27

3.2 放射線損傷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.1 シリコン検出器の放射線による影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.2 HL-LHC で内部飛跡検出器の受ける放射線量 . . . . . . . . . . . . 28

3.3 読み出しチップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.1 フリップチップ実装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

第 4章 検出器モジュールの組立 31

4.1 組立部材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.1.1 ベアモジュール (センサー，ASIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.1.2 FPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6 目次

4.1.3 セル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 組立工程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.1 接着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.2 ワイヤーボンディング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2.3 読み出し試験 #1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.4 封止 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.5 読み出し試験 #2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2.6 パリレンコーティング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.7 読み出し試験 #3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3 検出器モジュール組立の実施 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

第 5章 組立に用いる部材の選定 49

5.1 封止材候補 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.2 試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2.1 試験用サンプル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2.2 放射線耐性試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.2.3 熱サイクル試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3 封止材の選定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

第 6章 検出器モジュールの品質保証 55

6.1 検出器モジュールの読み出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.1.1 スキャンとチューニング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.1.2 読み出しセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.1.3 手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2 熱サイクル試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2.1 KEK145 への試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.2.2 QU10 への試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.3 試験の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

第 7章 結論 67

参考文献 70

7

図目次

2.1 LHC全景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 CERNの加速器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 ATLAS検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 内部飛跡検出器の全体像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 内部飛跡検出器バレル部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.6 LHC 加速器の運転とアップグレードの計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.7 Run 2 における積分ルミノシティ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.8 内部飛跡検出器のレイアウト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9 内部飛跡検出器の立体構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1 pn接合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 逆バイアスの印加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3 荷電粒子検出の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 シリコンピクセル検出器断面の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5 内部飛跡検出器の放射線環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.6 内部飛跡検出器の TID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1 モジュール断面図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2 モジュール平面図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3 ベアモジュール写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.4 ベアモジュール模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.5 FPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.6 セル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.7 組立工程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.8 モジュールベース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.9 FPC ベース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.10 FPC ベースにステンシルマスクをかけた写真 . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.11 スパチュラブロック . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.12 ディスペンサーとロボット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

8 図目次

4.13 ディスペンサー塗布部分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.14 セルベース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.15 スノーマーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.16 熱伝導接着剤の硬化待ち . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.17 ワイヤーボンダー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.18 ワイヤーボンダーのボンドヘッド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.19 ワイヤーボンディング例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.20 ボンディングジグ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.21 ASIC 側のボンド定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.22 ワイヤボンド後モジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.23 封止ダム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.24 封止後の検出器モジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.25 QU00 analog scan 結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.26 QU02 analog scan 結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.27 QU09 analog scan, HV なし . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.28 QU09 analog scan, HV あり . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.1 封止材サンプル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2 放射線照射室 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.3 放射線照射用箱 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.4 熱サイクル試験のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.1 読み出し基板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.2 USBPix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.3 LVDS変換器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.4 KC705 評価ボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.5 PCIe スロットに接続した KC705 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.6 マルチチップアダプターカード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.7 読み出しセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.8 熱サイクルセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.9 KEK145ノイズ分布 (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.10 KEK145ノイズ分布 (#5のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.11 KEK145ノイズ分布 (#10のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.12 KEK145ノイズマップ (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.13 KEK145ノイズマップ (#5のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.14 KEK145ノイズマップ (#10のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.15 KEK145ヒットマップ (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.16 KEK145ヒットマップ (#5のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

9

6.17 KEK145ヒットマップ (#10のサイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.18 低ノイズ，低ノイズかつヒットのないピクセル数の変化 . . . . . . . . . . . 63

6.19 QU10ノイズ分布 (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.20 QU10ノイズ分布 (50サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.21 QU10ノイズ分布 (100サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.22 QU10ノイズマップ (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.23 QU10ノイズマップ (50サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.24 QU10ノイズマップ (100サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.25 QU10ヒットマップ (サイクル前) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.26 QU10ヒットマップ (50サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.27 QU10ヒットマップ (100サイクル後) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.28 低ノイズのピクセル数の変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.29 低ノイズかつヒットのないピクセル数の変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

10

表目次

1.1 SM の素粒子 (フェルミオン) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 SM の素粒子 (ボソン) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 超対称性粒子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 運転終了までに受ける放射線量，TID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 FE-I4，RD53A の仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.1 FPC の層構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 アラルダイト 2011 の特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3 Stycast 2850FT: Catalyst 9M の混合後の特性 . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.4 ボンドパラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.5 ボンドパラメータチューニングの基準値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.6 ファーストボンド force 系パラメータのチューニング . . . . . . . . . . . . 42

4.7 ラストボンド force 系パラメータのチューニング . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.8 ファーストボンド power 系パラメータのチューニング . . . . . . . . . . . . 42

4.9 ラストボンド power 系パラメータのチューニング . . . . . . . . . . . . . . 42

4.10 読み出し試験の判断基準 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.11 Sylgard 184, 170 の特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.12 9001-E-V3.7 の特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.13 組立てた検出器モジュールの読み出し試験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.1 封止材候補の一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2 放射線照射量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3 放射線耐性試験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.4 熱サイクル結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.1 KEK145 の熱サイクル温度範囲とサイクル数 . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.2 組立に用いた部材の CTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

11

第 1章

序論

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)実験は，欧州原子核研究機構 (CERN) が設置した

LHC (Large Hadron Collider) 加速器で進行中である国際共同実験である．主な目的は素粒

子標準模型 (SM: Standard Model) を超える物理の探索と SM の検証である．

1.1 標準模型

SM は 2012年，ATLAS 実験及び CMS 実験によるヒッグス粒子の発見 [1, 2]で完成した．

SM を構成する粒子は表 1.1と表 1.2に示すように，それぞれ 3世代 6種類のクォークとレプ

トン，3つの力，電磁力，強い力，弱い力に対応するゲージ粒子，質量の起源であるヒッグス

粒子からなる．

SM は多くの自然現象を記述することに成功しており，多くの実験と高い精度で一致する．

表 1.1 SM の素粒子 (フェルミオン)

第 1世代 第 2世代 第 3世代

電荷 記号 記号 記号

スピン 名前 名前 名前

クォーク

2/3 u c t

1/2 アップ チャーム トップ

−1/3 d s b1/2 ダウン ストレンジ ボトム

レプトン

0 νe νµ ντ

1/2 電子ニュートリノ ミューニュートリノ タウニュートリノ

−1 e µ τ1/2 電子 ミューオン タウ

12 第 1章 序論

表 1.2 SM の素粒子 (ボソン)

記号 電荷対応する力

名前 スピン

ゲージボソン

γ 0電磁力

光子 1

g 0強い力

グルーオン 1

Z0 0弱い力

Z ボソン 1

W± ±1弱い力

W ボソン 1

スカラーボソンH 0

-ヒッグス 0

1.2 標準模型を超える物理

SM は一定の成功を収めているものの，説明不可能な問題が存在している．そのため， SM

を超える物理が期待され，理論模型の構築と検証，また，新物理探索が進められている．

1.2.1 標準模型で説明できない事象

バリオン数の非対称

SM で説明できない問題のひとつに，宇宙に存在するバリオン数の非対称がある．宇宙誕生

の初期には，バリオンと反バリオンは対生成により同数生成したと考えられるが，現在の宇宙

は物質優勢である．SM の含む CP 対称性の破れだけでは，この不均衡は説明できない．

暗黒物質

重力レンズ効果，宇宙の膨張速度のような観測事実により重力を感じる何らかの物質の存在

が示唆されており，これは暗黒物質と呼ばれている [3]．暗黒物質は，光らない，すなわち，電

磁相互作用をしない物質で，従来の方法ではその正体を知ることが困難である．

その候補のひとつとして，WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) が考えられてお

り，これは，弱い相互作用をし，かつ重い粒子のことである．

暗黒物質の探索としては，加速器実験によってこれを生成し検出するという方法や，観測か

らその相互作用による信号の検出をめざす間接探索，検出器による検出をめざす直接探索の複

数の方面から探索が試みられている．

1.3 ATLAS 実験と現状 13

1.2.2 超対称性

上のような問題を解決するためにいくつもの理論模型が提案されている．そのひとつが超対

称性である．超対称性とは，ボソン，フェルミオン間の対称性である．これを扱う理論では

SM の粒子には電荷は同じでスピンが異なる超対称性パートナー (スーパーパートナー) が存

在すると考える．列挙すると表 1.3のようになる．

表 1.3 超対称性粒子

記号 スピン

スフェルミオン

スクォークũ c̃ t̃

0d̃ s̃ b̃

スレプトンν̃e ν̃µ ν̃τ

ẽ µ̃ τ̃

記号 スピン

ボシーノ

W̃

1/2

Z̃

γ̃

g̃

H̃

もし，この対称性が破れていなければ，粒子とそのスーパーパートナーは同じ質量を持つと

いうことになる．ところが，超対称性粒子が今までに発見されていないことから実際にはずっ

と大きな質量を持っていると考えられる．超対称性粒子のうち最も軽いものは崩壊することが

できず安定に存在することになり，このような粒子は WIMP の候補である．

1.3 ATLAS 実験と現状

ATLAS 実験では，2010 年の重心系エネルギー 7 TeV での運転以降，それまでに発見され

ていた粒子について生成断面積の精密測定，さらに先述のようにヒッグス粒子の発見を行っ

た．これらを通して，SM が実験とよく一致することを示した．ところが， SM を超える物

理の兆候については現在のところ見られない．探索を進めるために，衝突の重心系エネルギー

の増強やビームのルミノシティの増加というアップグレードを行ってきており，また，今後も

アップグレードを行う計画である．

本研究で取り扱った新型検出器開発は， ATLAS実験のアップグレードのためであり，これ

を通して， SM を超える物理を発見することが最終的な目標である．

14

第 2章

LHC-ATLAS 実験

この章では， LHC 加速器と ATLAS実験について，また LHC 加速器のアップグレード計

画である高輝度 LHC (HL-LHC: High Luminosity LHC) について述べる．

2.1 LHC 加速器

LHC 加速器は図 2.1のように，スイス・ジュネーブ近郊，スイスとフランスの国境にまた

がって，地下を通っている．周長は約 27 km で，円型加速器として世界最大である．4箇所

に衝突点があり，それぞれに LHCb, ALICE, CMS, そして，ATLAS 実験の各検出器が設置

されている．

• LHCbb クォーク研究に特化した実験であり，物質・反物質の対称性のわずかな破れを探索す

ることを目指している．

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)重イオンの衝突事象に焦点を当てた実験である．クォークグルーオンプラズマの物理に

ついて研究している．

• CMS (Compact Muon Solenoid)CMS 検出器は汎用検出器であり，ATLAS 実験と同様，SM の検証や新物理探索など

を目的としている．ATLAS 実験とは検出器として用いている技術が異なっており，互

いに追試を行うことができるようになっている．

• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)詳しくは後述する．

実験に用いる粒子ビームは 4つの前段加速器を経て LHCに打ち込まれる．CERNに所在

する加速器は図 2.2のようになっている．水素原子から電子を剥ぎ取ることで生成させた陽子

をまず，Linac2で 50 MeV まで加速し， PS Booster (PSB) に入射する．ここで 1.4 GeV

まで加速したビームを Proton Synchrotron (PS) でさらに 25 GeV まで加速する．さらに

2.1 LHC 加速器 15

図 2.1 LHC全景．ジュネーブ近郊の地下に設置されている．

図 2.2 CERNの加速器．LHCに入射される陽子は，Linac2， PSB， PS， SPS を経て

段階的に加速される．

Super Proton Synchrotron (SPS) に送り，450 GeV まで加速し，LHC に入射する．このと

き，ビームを右回り，左回り両方に入射し，1.15× 1011 個の陽子からなるバンチと呼ぶ状態にしている．LHC 加速器では，入射したビームをさらに加速し，バンチ同士を衝突させる．バ

ンチ衝突時には，複数の陽子衝突事象が起こる場合があり，これをパイルアップと呼ぶ．

加速器を特徴づける量として，瞬間ルミノシティがよく用いられる．瞬間ルミノシティは，

ビーム衝突点での粒子衝突の頻度を表す物理量で，ビーム中の粒子密度に依存する．また，瞬

16 第 2章 LHC-ATLAS 実験

間ルミノシティを時間積分した量を積分ルミノシティと呼び，取得イベントの量を表現すると

きに用いる．LHC 加速器の瞬間ルミノシティの設計値は， 1.0× 1034 cm−2s−1 である．

2.2 ATLAS 実験

ATLAS 実験は， CMS 実験とともに，ヒッグス粒子の性質の精密測定や新粒子探索を通し

て新物理の直接探索を行う実験である．検出器の全体像は図 2.3のように，直径約 25 m, 長さ

約 44 m の大きさで，全体の質量はおよそ 7000 t ある．

図 2.3 ATLAS検出器 [4]

最内層には，内部飛跡検出器があり，外側に向かって，電磁カロリメータ，ハドロンカロリ

メータ，ミューオン検出器が取付けられている．内部飛跡検出器の外側にはソレノイド磁石，

カロリメータの外側にはトロイド磁石がそれぞれ設置されている．

内部飛跡検出器では荷電粒子を検出でき，それをもとに飛跡再構成を行うことで，陽子-陽

子の衝突点や粒子の崩壊点を知ることができる．また，ソレノイド磁石により荷電粒子の飛跡

を曲げることで，その曲率から運動量を測定する．

電磁カロリメータでは電子，光子の作る電磁シャワーから，そのエネルギー，入射位置を測

定する．鉛の吸収体と液体アルゴンを用いており，アコーディオン構造になっている．

ハドロンカロリメータでは，ハドロンのエネルギー測定を行う．バレル部では，鉄の吸収体

とシンチレータからなるタイル状のカロリメータ，エンドキャップ部では液体アルゴンを用い

たカロリメータである．

ミューオン検出器は最外層に設置されている．これは，ミューオンの寿命が約 2.2 µs と比

較的長いことと透過力が高いということによる．トロイド磁石により作られる磁場でミューオ

2.2 ATLAS 実験 17

ンの飛跡が曲げられ，運動量を測定できる．

ATLAS 検出器における座標系は，直交座標系と円筒座標系が用いられる．直交座標系で

は，水平方向リング内向きを x 軸，鉛直方向を y 軸，右手系をなすようにビーム軸方向に z

軸を取る．一方，円筒座標系では，同様に z 軸を取った上で，動径 R， 方位角 ϕ が

R =√x2 + y2 (2.1)

ϕ = tan−1(yx

)(2.2)

となるように取る．なお，原点は衝突点と定めている．

擬ラピディティ η を用いることも多く，これは，z 軸から y 軸方向への仰角 θ を用いて，

η = −ln[tan

(θ

2

)](2.3)

と定義される．設置されている検出器は， |η| が小さい部分と，大きい部分とに分かれており，それぞれバレル部，エンドキャップ部と呼ぶ．

2.2.1 内部飛跡検出器

全体を図 2.4 に，断面図を図 2.5 に示す．内部飛跡検出器は内側から順に，Insertable B-

Layer (IBL)，ピクセル検出器 (Pixel Detector)，シリコンマイクロストリップ検出器 (SCT:

Semiconductor Tracker)，遷移放射検出器 (TRT: Transition Radiation Tracker) で構成さ

れる．IBL，ピクセル検出器，SCT では，シリコン検出器を用いており，TRT ではストロー

チューブ検出器を用いている．IBL は，ルミノシティ増加に対応するために導入されたピクセ

ル検出器である．

IBL とピクセル検出器

ピクセル検出器は，バレル部に 3層，エンドキャップ部には片側 3層ずつ設置されている．

IBL はバレル部に 1層，ピクセル検出器より内側に設置されている．

ピクセル検出器では，n-in-n型プラナーセンサーを用いており，センサー厚は 250 µm，ピ

クセルサイズは 50× 400 µm2 である．プラナーセンサーとは，半導体表面に電極となる半導体を埋め込んだ構造のセンサーである．

一方，IBL では n-in-n型プラナーセンサーの他に 3D センサーも使用している [5]．3D セ

ンサーは，半導体に棒状の電極となる半導体を埋め込んだ構造になっている．プラナーセン

サーは 200 µm厚， 3D センサーは 230 µm厚で，ピクセルサイズは， 50× 250 µm2 である．

SCT 検出器

バレル部 4層，エンドキャップ部片側 9層ずつ設置されている．80 µmピッチのシリコン

ストリップセンサーを 2枚重ねた構造になっている．これらは，40 mrad だけずれており，入

射粒子に対し 2次元の位置情報を得ることができる．

18 第 2章 LHC-ATLAS 実験

図 2.4 内部飛跡検出器の全体像 [4]

図 2.5 内部飛跡検出器バレル部

2.3 LHC 加速器の運転とアップグレード計画 19

TRT 検出器

半径 4 mm のストローチューブを並べて構成される．ストローチューブ内で遷移輻射が引

き起こされることにより，粒子識別が可能となっている．

2.3 LHC 加速器の運転とアップグレード計画

LHC 加速器の運転やアップグレードのスケジュールを図 2.6に示す．このうち，Run は検

出器でデータを取得する期間，Long Shutdown (LS) は検出器のメンテナンスやアップグレー

ドを行う期間である．

図 2.6 LHC 加速器の運転とアップグレードの計画．2019 年現在は Long Shutdown 2

(LS2) に入っており，検出器のメンテナンスや Run 3 に向けたアップグレードが実施さ

れる．

Run 2

2015年に開始された Run 2 は，順調に運転を続け，2018年 12月に終了した．Run 2 にお

ける積分ルミノシティを，重心系エネルギー 13 TeV の陽子-陽子衝突事象についてまとめる

と図 2.7の通りである．このように，Run 2 を通して，LHC は 158 fb−1 を供給し，ATLAS

は 149 fb−1 を記録した．

Run 3 に向けて

2019年，2020年は LHC 加速器は LS2 の期間で，2021年に開始される Run 3 に向けて

各検出器のメンテナンスやアップグレードを行う．Run 3 では，陽子-陽子衝突の重心系エネ

ルギー 14 TeV での運転をめざす．

20 第 2章 LHC-ATLAS 実験

Month in YearJan

'15Jul '15

Jan '16Jul '

16Jan

'17Jul '17

Jan '18Jul '

18

-1fb

Tot

al In

tegr

ated

Lum

inos

ity

0

20

40

60

80

100

120

140

160ATLASPreliminary

LHC Delivered

ATLAS Recorded

= 13 TeVs

-1 fbDelivered: 158-1 fbRecorded: 149

Initial 2018 calibration

図 2.7 Run 2 における積分ルミノシティ

2.3.1 LHC 加速器の高輝度化計画

LHC 加速器は 2024 年から 3 回目のロングシャットダウン (LS3) に入り，さらなるアッ

プグレードを行う．この計画を高輝度 LHC (HL-LHC: High Luminosity LHC) と呼ぶ．

HL-LHC は，2026年に運転を開始する計画である．

HL-LHC では瞬間ルミノシティを， 5 – 7 ×1034 cm−2s−1 とする計画である．また，運転終了までの最終的な積分ルミノシティは 3000 fb−1 を計画しており，現行 LHC 加速器の設計

値の 10 倍にあたる大幅な増加である．ルミノシティの増加は，衝突事象の増加を意味し，す

なわち得られるデータが増加するということである．そのため，現在より統計的に有利になっ

て新物理探索の可能性が高まる．

LHC 加速器のアップグレード

HL-LHC へのアップグレードでは，さまざまな点で技術開発が必要となる．たとえば次の

ようなものである．

• 収束磁石ATLAS や CMS の衝突点では 1回のバンチ交差あたり 140 の衝突事象を得る．その

ために，ビームを十分に絞り込めるだけの磁石を開発する．

• 機器の保護ビーム中に粒子が増加することで，ビームラインからはぐれる粒子も増える．それによ

る機器損傷を防止するための対策を強化する．

• 超伝導送電加速器への送電には，二ホウ化マグネシウムを用いた超伝導送電線を用いる．これは，

100 kA もの電流を流すことが可能である．

2.3 LHC 加速器の運転とアップグレード計画 21

• 前段加速器現在使われている Linac2 は 2020年に Linac4 に置き換えられる予定である．また，他

の 3つの前段加速器，PSB， PS， SPS についてもアップグレードが行われる．

このような LHC 加速器側の取組みとともに，各実験各検出器にも相応のアップグレードが

必要になる．

2.3.2 ATLAS実験の内部飛跡検出器のアップグレード

LHC 加速器の高輝度化にあたって， ATLAS実験の内部飛跡検出器は総入れ換えされ，す

べてがシリコン検出器となる．アップグレードには，以下の要求が課せられる．

1. 衝突事象の増大にともなうパイルアップの増加に対応できるだけの読み出しチャンネル

の用意．

2. 増大する放射線量に対応できるシリコンセンサー及び検出器の開発．

3. 増加するデータ量の処理が可能なデータ収集 (DAQ: Data AcQuisition) システム．

4. 数千台規模の大量生産が可能であるような安価な検出器モジュールの開発．

このような条件を満足するような検出器を開発するために研究を進めている．

アップグレード後のレイアウト

HL-LHC における内部飛跡検出器は Inner Tracker (ITk) と呼ばれ，ピクセル検出器とス

トリップ検出器で構成される．内部飛跡検出器のレイアウトを図 2.8に示す．バレル部では内

層にはピクセル検出器が 5層，その外にストリップ検出器が 4層配置される計画である．図

2.9に立体的な配置の図を示す．

図 2.8 内部飛跡検出器のレイアウト． 赤がピクセル検出器，紺色がストリップ検出器を示す．

22 第 2章 LHC-ATLAS 実験

図 2.9 内部飛跡検出器の立体構造．外側の青い部分にストリップ検出器があり，それより

内層の緑や赤の部分にピクセル検出器が設置されている．

23

第 3章

新型シリコンピクセル検出器

第 2章で述べたように，HL-LHC へのアップグレードでは，内部飛跡検出器の総入れ換え

を行い，全てをシリコン検出器とする．このうち，我々はシリコンピクセル検出器の開発に取

り組んでいる．第 3章では，シリコン検出器の原理と新型シリコンピクセル検出器に用いるセ

ンサー，読み出しチップ，運転の過程で生じる放射線損傷について説明する．

3.1 シリコン検出器

3.1.1 検出器の原理

半導体は，電気伝導に関して絶縁体と導体の中間の性質を備えている物質である．半導体の

例として，シリコンやゲルマニウムが挙げられる．

pn 接合と空乏化

高純度の半導体は，電気を通しにくいが，不純物を添加 (ドープ) することによって電気的

特性を変えることができる．ホウ素などの 3価の元素をドープする場合，これを p 型半導体

と称する．p 型半導体では，価電子帯に電子の欠損である正孔が生じ，これが電気伝導に寄与

する．一方，ヒ素やリンなど 5価の元素をドープする場合は， n 型半導体と称する．n 型半

導体では自由電子が発生し，これが電気伝導に寄与する．p 型半導体における不純物をアクセ

プター，n 型半導体における不純物をドナーと呼ぶ．

一般的な半導体検出器は，n 型と p型の半導体を接合 (pn接合) した構造を持つ．図 3.1の

ように n 型と p 型の接合面付近では，電子-正孔対が再結合した空乏層が発生する．図 3.2の

ように，これに逆電圧 Vb を印加することによって空乏層を拡げることができる．このときの

電圧 Vb と空乏層の幅 d との関係は以下のように求められる．図 3.2のように x 軸を取り，接

合面を原点，空乏層を xp < x < xn とし，ある位置での電位を V，電荷密度を ρe とする．ま

た，各半導体のアクセプター濃度を Na， ドナー濃度を Nd とする．素電荷を e， シリコン

の誘電率を ϵ と表す．

24 第 3章 新型シリコンピクセル検出器

+

+

+

+

-

-

-

-

電子

正孔

p 型 n 型

空乏層

電場

図 3.1 pn接合．界面に空乏層が発生する．

𝑉𝑏

電子

正孔

p 型 n 型

空乏層

電場

-

-

-

-

+

+

+

+

𝑥0 𝑥𝑛𝑥𝑝

図 3.2 逆バイアス電圧 Vb を印加すると空

乏層が拡がる．

ポアソン方程式により，d2V

dx2= −ρe

ϵ(3.1)

(i) p型側 xp < x < 0 について

式 (3.1) において，ρe = −eNa (3.2)

なので，d2V

dx2=

eNaϵ

(3.3)

この微分方程式を境界条件

V |x=0 = 0 (3.4)dV

dx

∣∣∣∣x=xp

= 0 (3.5)

のもとで解くと，

V =eNa2ϵ

x(x− 2xp) (3.6)

dV

dx=

eNaϵ

(x− xp) (3.7)

となる．

(ii) n型側 0 < x < xn について

式 (3.1) において，ρe = eNd (3.8)

であることから，(i) と同様に計算すると，

V = −eNd2ϵ

x(x− 2xn) (3.9)

dV

dx= −eNd

ϵ(x− xn) (3.10)

3.1 シリコン検出器 25

となる．したがって，印加電圧 Vb について，

Vb = V |x=xn − V |x=xp (3.11)

=e

2ϵ(Nax

21 +Ndx

22) (3.12)

また，電位がなめらかであるとすると，

dV

dx

∣∣∣∣x=−0

=dV

dx

∣∣∣∣x=+0

(3.13)

により，xpNa + xnNd = 0 (3.14)

である．式 (3.12)， (3.14) を連立して解くと，

xp = −

√2ϵVbe

NdNa(Na +Nd)

(3.15)

xn =

√2ϵVbe

NaNd(Na +Nd)

(3.16)

これらにより，

d = |xp|+ |xn| (3.17)

=

√2ϵVbe

Na +NdNaNd

(3.18)

が得られる．

このように，電圧 Vb を大きくすると，空乏層が拡がっていく．こうして全域が空乏層と

なった電圧を特に，全空乏化電圧と呼ぶ．式 (3.18) を Vb について解いて，

Vb =ed2

2ϵ

NaNdNa +Nd

(3.19)

から求めることができる．

荷電粒子の検出

荷電粒子が物質中の電子との衝突によって失うエネルギーは，ベーテ・ブロッホの式

− dEdx

= Kz2ρZ

A

1

β2

[1

2ln

(2mec

2β2γ2WmaxI2

)− β2 − δ(γ)

2

](3.20)

で記述される [6]．ここで，

K = 4πNAr2emec

2

β = v/c

γ = 1/√1− β2

26 第 3章 新型シリコンピクセル検出器

NA : アボガドロ定数 (6.022× 1023 /mol)re : 古典電子半径 (2.817× 10−13 cm)

mec2 : 電子の静止エネルギー (0.511 MeV)

z : 入射粒子の電荷

Z : 物質の原子番号

A : 物質の原子量

ρ : 物質の密度

Wmax : 入射粒子が 1回の衝突で物質に与えられる最大のエネルギー

I : 物質の平均イオン化ポテンシャル

v : 入射粒子の速さ

δ : 誘電遮蔽に関する補正項で相対論的粒子についてのみ効く

である．

この式によると，入射した荷電粒子のエネルギー損失は，その速さに依存する．βγ ≃ 3 付近で −dE/dx は最小となる．このような粒子を Minimum Ionization Particle (MIP) と呼ぶ．図 3.3のように，荷電粒子が空乏層を通過すると，式 (3.20)に従い，エネルギーを空乏層に

落とす．すると，電子-正孔対が生成され，それらは内部電場によって各々電極に向かう．こ

うして生成した電荷を収集することによって，通過した荷電粒子のエネルギーを知ることがで

きる．

p 型 n 型完全空乏化

電場

-

-

-

-

+

+

+

+

荷電粒子

図 3.3 荷電粒子検出の模式図．荷電粒子により電子-正孔対が誘起され，内部電場によっ

てそれぞれ電極に向かう．

ここで，300 µm厚のシリコンセンサーを 1 MIP が通過した場合を考える．MIP はシリコ

ン中で多数の電子との散乱を起こすが，そのとき落とすエネルギーの分布は，

f(λ) =1

π

∫ ∞0

exp [−t (lnt+ λ)] sin (πt) dt (3.21)

で与えられる．これをランダウ分布といい，今回の場合の最頻値は，平均値のおよそ 0.7 倍で

ある．シリコン中での MIP のエネルギー損失の平均は， 1.664 MeV cm2/g であり，シリコ

3.2 放射線損傷 27

ンの密度は 2.329 g/cm3 である．したがって， 1 MIP が落とすエネルギー E [eV] は，

E = 1.664× 3× 10−2 × 2.329× 0.7= 8.14× 104 eV

となる．さらに，電子-正孔対生成に必要なエネルギーは 3.62 eV であるから，生成される電

子-正孔対の数は，E ÷ 3.62 = 22500 (3.22)

である．

3.1.2 HL-LHC のためのシリコンピクセルセンサー

HL-LHC のための新型シリコンピクセル検出器では，図 3.4に示すような n+-in-p 型のプ

ラナーピクセルセンサーを用いる．n+ とは通常の n 型半導体より不純物濃度が高いという意

味である．構造は， p 型半導体のバルクに n+ 型半導体のインプラント電極を埋め込んでい

る．逆電圧を印加することで p バルクは全空乏化されており，インプラント側は金属バンプ

を通して読み出し ASIC (Application Specific Integrated Circuit) と接続されている．荷電

粒子が通過すると，生成した電子を収集することで信号を得る．

読み出し ASIC

n 電極+

p バルク

荷電粒子

e - h+

e -

e -h+

h+

バンプ

空乏層

電場

図 3.4 シリコンピクセル検出器断面の模式図． n+-in-p 型のプラナーセンサーである．

荷電粒子が入射すると，空乏層で電子-正孔対が生成される．電子は内部電場により電極に

向かい，収集される．

3.2 放射線損傷

3.2.1 シリコン検出器の放射線による影響

シリコン検出器は放射線によって損傷を受ける．主要な損傷はバルク損傷であり，シリコン

の結晶内部に粒子が入射し，結晶原子と衝突して，格子欠陥が生じることで起こる．バルク損

傷による影響は，主に p 型不純物濃度の増加である．

バルクに n 型半導体，インプラントに p 型半導体を用いている p+-in-n 型の場合，放射線

でバルク損傷が引き起こされることで，バルク部の実効的なドナーの減少，さらには，アクセ

28 第 3章 新型シリコンピクセル検出器

プターの増加が起こる．ついにはアクセプター濃度が増加して，バルク部が n 型から p 型へ

型反転する．このような不純物濃度の変化に応じて，全空乏化電圧は変化するので，印加する

電圧を変えていく必要がある．さらに，型反転後は，pn 接合の位置は電極とは反対側になる．

したがって，信号を読み出せるよう電極まで空乏化するには，全空乏化することが必要にな

る．放射線損傷が進行すると，不純物濃度増加のために全空乏化に必要な電圧も増大するが，

これが印加できる電圧の最大値を超えたとき，検出器はもはや使用不可能になる．たとえば，

現行の SCT 検出器は p+-in-n 型のシリコンストリップセンサーを用いており，実際に型反転

の現象が起こっている．

一方で，新型シリコンピクセル検出器で採用される n+-in-p 型であれば，型反転は生じな

い．また，pn 接合の位置は必ず電極側になるので，完全空乏化せずに使用を続けることが可

能である．このように，シリコン検出器は放射線損傷により，不純物濃度の変化という影響を

受けるが，新型シリコンピクセル検出器で使用する n+-in-p 型は放射線環境に強いといえる．

3.2.2 HL-LHC で内部飛跡検出器の受ける放射線量

HL-LHC 計画では，重心系エネルギー 14 TeV での陽子-陽子衝突を行い，最終的に 3000

fb−1 まで積分ルミノシティをためる．シミュレーションから，内部飛跡検出器が HL-LHC の

運転終了までに受ける放射線量と吸収線量 (TID: Total Ionizing Dose) は図 3.5，3.6のよう

に求められている．ここで，線量は，1 MeV の中性子に換算した，単位面積あたりの線量とし

て表現している．TID の単位は，Mrad を用い， 1 Mrad = 104 Gy である．また，バレル部

ピクセル検出器の層ごとに受ける線量と TID は表 3.1の通りである．これには安全係数とし

て 1.5をかけている．このように，最内層のピクセル検出器レイヤー 0 では最大 18.7× 1015

1 MeV neq/cm2 の放射線環境下にさらされ，1268 Mrad を受ける．我々が開発するピクセ

ル検出器は，レイヤー 2, 3, 4 に使用するもので，線量が最大で 2.2× 1015 1 MeV neq/cm2，

図 3.5 内部飛跡検出器の放射線環境 [7]．

内側から 3層目にあたるレイヤー 2 の付近

で，1015 1 MeV neq/cm2 以上の線量を受

ける．

図 3.6 内部飛跡検出器の TID [7]．レイ

ヤー 2 の付近で， 106 Gy = 100 Mrad 程

度である．

3.3 読み出しチップ 29

TID が 129 Mrad である．検出器開発は，このような放射線環境に対する要求を満たす必要

がある．

表 3.1 運転終了までに受ける放射線量，TID[7]．安全係数 1.5をかけたもの．

バレルレイヤー最大の放射線量

[×1015 1 MeV neq/cm2]最大の TID

[Mrad]

0 18.7 1268

1 5.9 549

2 2.2 129

3 1.5 87

4 1.1 53

3.3 読み出しチップ

シリコンセンサーで得られた信号は， ASIC で増幅，整形，デジタル化処理を行い，読み出

す．IBL では，FE-I4 と呼ばれる ASIC が用いられている．しかし， FE-I4 は HL-LHC に

おける読み出しデータ量の増加に対応可能なチャンネル数，読み出し速度を持たないので，新

型シリコンピクセル検出器では使用できない．そのため，新型 ASIC である RD53A の開発

が進められている．我々が新型シリコンピクセル検出器の組立を研究する段階では，RD53A

は開発途上であり， FE-I4 を用いている．FE-I4， RD53A の仕様を表 3.2に示す．

表 3.2 FE-I4，RD53A の仕様 [8, 9]

項目 FE-I4 RD53A 単位

チップサイズ 20.2× 19.0 20.0× 11.8 mm2

ピクセルサイズ 50× 250 50× 50 µm2

ピクセル数 80× 336 400× 192 行 ×列入力レート 40 160 Mb/s

出力レート 160 5000 Mb/s

放射線耐性 300 500 以上 Mrad

運転温度範囲 −40 から +60 −40 から +60 ◦C

3.3.1 フリップチップ実装

新型シリコンピクセル検出器の構造は，図 3.4に示すように，シリコンセンサーと読み出し

ASIC をバンプと呼ばれる金属球で接続した構造である．

このように，センサーと ASIC をバンプで接続 (バンプボンド) する方法をフリップチッ

30 第 3章 新型シリコンピクセル検出器

プ実装と呼ぶ．一般には，バンプに金や鉛スズ合金のような金属あるいは合金が使用される．

我々が用いるセンサーと FE-I4 ASIC の接続は，浜松ホトニクス社においてスズ銀バンプを

用いて行われる．また，センサー側のバンプ電極にはインジウムが用いられる．これらは，こ

こで用いているセンサー，ASIC のバンプボンドにおいて損傷を生じにくい部材として選定さ

れた．

31

第 4章

検出器モジュールの組立

検出器モジュールとは，センサー，読み出しチップ (ASIC: Application Specific Integrated

Circuit)，フレキシブル基板 (FPC: Flexible Printed Circuit)，冷却用ブロックであるセルに

より構成される，検出器の 1単位である．我々が組立てるモジュールは，1枚のセンサーに 4

枚の ASIC を組み合わせたもので，クアッドモジュールと呼ぶ．

モジュールの模式図を図 4.1，4.2 に示す．第 3章で述べたように，センサーと ASIC とは

予めバンプにより接続している．以降，これをベアモジュールと呼ぶ．ベアモジュールは絶縁

性接着剤により FPC と，熱伝導接着剤によりセルと接着している．FPC と ASIC はアルミ

ワイヤーにより電気的に接続しており，ワイヤーには保護のため樹脂封止を施している．セン

サー・ ASIC 間の放電防止のため，パリレン高分子によるコーティングを行っている．

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

ワイヤー封止

バンプ

接着剤

パリレンコーティング

熱伝導 接着剤

図 4.1 モジュール断面図．ベアモジュール

と FPC，セルを接着し， FPC と ASIC と

の間をワイヤーボンディングにより電気的に

接続している．また，ワイヤーを樹脂封止し

ており，さらにパリレンコーティングを施し

ている．

ワイヤー

FPCChip3

封止

ASIC:Chip1

Chip2 Chip4

図 4.2 モジュール平面図．ASIC は 4

枚あり，FPC の位置に対して， Chip1

から 4 を定めている．FPC と ASIC と

の間のワイヤーには封止を施している．

検出器モジュールの量産にあたっては，十分な精度を持つものを効率良く組立てる工程を構

築しなければならない．以下では組立部材について説明した後，組立工程について述べる．

32 第 4章 検出器モジュールの組立

4.1 組立部材

組立部材は，ベアモジュール (センサー，ASIC)， FPC，セルである．

4.1.1 ベアモジュール (センサー，ASIC)

センサーは 150 µm 厚の n+-in-p 型 シリコンピクセルセンサーである．読み出し ASIC

は，現在は FE-I4 である [8]．先に述べたようにベアモジュールは，1枚のセンサーに，4枚の

ASIC をバンプで接続した構造である．図 4.3は，これをセンサー側から撮影したものである．

図 4.4に示すように，センサーの短辺は 35.6 mm，長辺は 41.1 mmである．また， ASIC は

センサーの長辺から 1.0 mm だけはみ出している．

図 4.3 ベアモジュール写真．センサー面を

撮影したものであり，上下に ASIC がはみ

出している．この部分にワイヤーボンディ

ング用の電極 (パッド) がある．

35.6 mm

41.1 mm

1.0 mm

図 4.4 ベアモジュール模式図． ASIC の

うちセンサー下に隠れている部分は鎖線で

表す．ASIC は センサーから 1.0 mm だけ

はみ出している．

図 4.5 FPC．長方形の部分の左右にはワイヤーボンディングのための電極 (パッド) があ

る．テールが伸びており，その先に読み出し基板接続用のコネクタがある．

4.1 組立部材 33

4.1.2 FPC

FPC は ASIC に電源供給を行い，ASIC からの信号を DAQ システムに引き渡す役割を果

たす．我々が現在使用しているのは，図 4.5のように尾（テール）が伸びた構造になっている．

このテールの先に読み出し基板に接続するコネクタが付いている．FPC のテールを除いた長

方形の部分は，長辺が 40.0 mm，短辺が 35.0 mmである．長方形の部分の長辺に沿って，ワ

イヤーボンディング用の電極（パッド）がある．FPC の層構造を表 4.1に示す．内層に関し

ては合わせて厚みを記す．

表 4.1 FPC の層構造

層 厚み [µm]

カバーレイ -

接着層 -

ソルダーレジスト 10

銅箔 18

ガラスエポキシベース 50

銅箔 18

ソルダーレジスト 10

接着層 -

カバーレイ -

4.1.3 セル

セルは，モジュールを検出器にインストールするときに，モジュールをクーリングパイプに

固定する部分である．クーリングパイプとは，検出器運転時に生じる熱を排出するための機構

で，中に液体の二酸化炭素を流すことで，効率的な排熱を実現する．

図 4.6 にセルの写真を示す．このように 2 つの部分が予め接着された構造であり，熱伝導

性熱分解グラファイト (TPG: Thermal Pyrolytic Graphite) の上，中央に炭素繊維強化プラ

スチック (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) がある．CFRP はクーリングパイプに

固定するための部分で，ベアモジュールとの接着は，TPG の面に行う．TPG は厚み約 0.7

mm，長辺 40 mm，短辺 36 mm，CFRP は厚み 0.15 mm，長辺 20 mm，短辺 13 mm で

ある．TPG の熱伝導率はおよそ 1000 W/m ·K であり，金属の中で熱伝導のよい銀が 430W/m ·K である [10]のと比較しても優れていることがわかる．

34 第 4章 検出器モジュールの組立

図 4.6 セル．TPG の上に CFRP が接着されている．こちらの面がクーリングパイプに固定される．

4.2 組立工程

組立工程の概略を模式的に表したのが図 4.7である．まず，ベアモジュールを FPC，およ

び，セルと接着する．FPC に絶縁性接着剤を塗布し，ベアモジュールのセンサー面と接着

する．続いて，セルの TPG 面に熱伝導接着剤を塗布し，ベアモジュールの ASIC 側と接着

する．

ASIC と FPC の間を 25 µmのアルミ細線ワイヤーで結線 (ワイヤーボンディング) し電気

的に接続する．この状態で，読み出し試験を実施し，モジュールが正常に動作することを確か

める．

次に，ワイヤーを保護するための樹脂封止を行う．この工程では，ワイヤー部分に封止材を

塗布し硬化させる．この後，先と同様に読み出し試験を実施し，モジュールが正常に動作する

ことを確かめる．

さらに，放電を防止するためのパリレン高分子によるコーティングを施す．こうして組立が

終わったモジュールに対し，読み出し試験を行って，正常であるかを確認する．

4.2.1 接着

この工程では，ベアモジュールと，FPC，セルとの接着を行う．

絶縁性接着剤

ベアモジュールと FPC との接着にはハンツマン社アラルダイト 2011 を用いる．接着剤へ

の要求としては，硬化後に十分な強度を持つこと，通過する粒子のエネルギー損失を最小限に

留めるため低物質量であること，運転終了までに受ける放射線への耐性があること，実用的な

可使時間であること，常温で硬化することがある．複数の接着剤に対し評価を行い，コニシ

社 EセットMとハンツマン社アラルダイト 2011 を選定した [11]．このうち，アラルダイト

2011 は SCT 検出器のモジュール組立でも用いられた実績があることから，信頼性が高い．こ

のことから，こちらを用いることに決定した．アラルダイト 2011 の主な特性を表 4.2に示す．

4.2 組立工程 35

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

熱伝導 接着剤

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

熱伝導 接着剤

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

熱伝導 接着剤

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

熱伝導 接着剤

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

セル

FPC

センサー

ASIC ASIC

接着剤

熱伝導 接着剤

1

2

3

4

5

6

図 4.7 組立工程．1．ベアモジュールと FPC との接着． ２．セルの接着． ３．接着終

了後のモジュール． ４．ワイヤーボンディングの実施． ５．樹脂封止を実施． ６．パリ

レンコーティングの実施．

表 4.2 アラルダイト 2011 の特性 [12]

項目 値 単位

材質 エポキシ -

塗布時の粘度 (25 ◦C) 30 – 45 Pa · s可使時間 約 100 min

硬化時間 (23 ◦C) 10 h

熱伝導率 0.22 W/(m ·K)熱膨張係数 (CTE) 85 ppm/K

熱伝導接着剤

ベアモジュールとセルとの接着には，モジュールの冷却を妨げないように，熱伝導接着剤を

用いる．熱伝導接着剤への要求は，十分な熱伝導度のほかに，硬化後十分な強度を持つこと，

放射線への耐性があること，常温で硬化することがある．複数の候補があり，選定のための

評価の途上であるが，当面は，塗布時の粘度の点で使用しやすいヘンケル社 Stycast 2850FT

(硬化剤: Catalyst 9M) を用いている．Stycast 2850FT の特性を表 4.3に挙げる [13]．この

接着剤には，熱伝導をよくするためにフィラーを添加しており，フィラー粒子は，45 µm未満

の大きさのものが 95% から 100 % である．

36 第 4章 検出器モジュールの組立

表 4.3 Stycast 2850FT: Catalyst 9M の混合後の特性 [13]

項目 値 単位

材質 エポキシ -

塗布時の粘度 (25 ◦C) 58 Pa · s可使時間 (25 ◦C) 45 min

硬化時間 (25 ◦C) 16 – 24 h

熱伝導率 1.25 W/(m ·K)熱膨張係数 (CTE) 35.0 ppm/K

FPC の接着

接着ジグとしてモジュールベース， FPC ベースを用いる．まず，図 4.8のようにモジュー

ルベース上にベアモジュールを置き，ピンで位置を決定し，真空吸着で固定する．一方，FPC

ベース上には図 4.9のように， FPC をのせ，ピンにより位置を決定，真空吸着で固定する．

次に FPC 上に図 4.10のようにステンレス製のステンシルマスクをつけ，上から接着剤を

のせてヘラで擦り切ることで塗布を行う．このとき接着剤はステンシルマスクのパターン通り

に FPC に落ちる．ヘラは，図 4.11に示すものを用いており，これをスパチュラブロックと

呼んでいる．スパチュラブロックは，テフロン製のため，耐薬品性に優れ，摩擦が少ない点で

使用しやすい．

図 4.8 モジュールベース．上にベアモジ

ュールをのせており，4本のピンで位置を合

わせ，真空吸着で固定している．左右にガ

イドポールがある．

図 4.9 FPC ベース．上に FPC をのせて

おり，テール部に 4 本のピンを通し位置を

合わせ，真空吸着で固定している．左右に

モジュールベースのガイドポールを通す穴

がある．

塗布が終わった後は，ステンシルマスクを取り外し，FPC を FPC ベースに固定したまま

逆さにし，左右の穴をモジュールベースのガイドポールに通し，ゆっくりと下ろす．下ろしき

ると，FPC とセンサーとが重なるので，このままの状態で，接着剤の硬化時間以上，すなわ

ち， 10 時間以上経過させる．このとき，センサーと FPC との距離が 50 µmになるように，

モジュールベースと FPC ベースとの距離をスペーサーで調節している．接着剤は，硬化後，

50 µm厚になる．

4.2 組立工程 37

図 4.10 FPC にステンシルマスクをかけ

た写真．ステンシルマスクには，円形の穴

が ‘コ’ の字形に並んでいる．マスク上部に

接着剤を落としており，これをヘラで擦り

切ることで，パターン通りに FPC に塗布

を行うことができる．

図 4.11 スパチュラブロック．斜めになっ

た部分で接着剤を擦り切る．

このようにステンシルマスクを用いた塗布方法はステンシル法と呼ばれ，特別な技術なしで

精度良く塗布できる手法である [11]．ステンシルマスクの塗布パターンは主に次の要請を満

たすようにデザインしている．一つ目は低物質量であるように，できる限り塗布量を減らす

ことである．二つ目は，FPC のテール付け根に，塗布を行うことである．組立後の検出器モ

ジュールは，ピクセル検出器の構造体に搭載される段階で，FPC のテールを折り曲げて，読

み出し用コネクタと接続する．そのため，FPC のテール付け根には大きな力がかかる恐れが

ある．三つ目は，FPC のワイヤーボンディングパッド下には塗布することである．安定した

ワイヤーボンディングを可能とするために，パッド部分は固定されている必要がある．

のちに 25 µm ワイヤーで ASIC と FPC を結線することになるので，この工程での接着

位置精度には 50 µmが要求される．今述べた手法はこれを達成していることを確認している

[11]．

セルの接着

セルに熱伝導接着剤を塗布し，ベアモジュールの ASIC 面と接着する．熱伝導接着剤の塗布

は，現在は，図 4.12と 4.13に示すディスペンサーとロボットで行っている．ディスペンサー

とは，接着剤や封止材を高い圧力で押し出し，一定量を塗布する装置である．これとロボット

を連動させることで，目的のパターンに接着剤を塗布することができる．

まず，図 4.14 に示すセルベースにセルをのせ，真空吸着で固定する．このとき位置は，

CFRP の角をジグの角に押し当てることによって決定する．次に，ディスペンサー，ロボッ

トで図 4.15のように熱伝導接着剤を塗布する．このように塗布することで，接着剤は，押し

つぶされた際，ASIC との接着面全体に平坦に拡がる．

次に，前の工程で接着したベアモジュール， FPC を FPC ベースに真空吸着により固定す

る．FPC ベースをガイドポールに通して固定し，その上から，セルベースを下ろす．このよ

うにして接着剤を塗布したセルと ASIC が重なることで，熱伝導接着剤が押しつぶされ，全面

が接着される．この状態のまま，熱伝導接着剤の硬化時間以上，すなわち， 24 時間以上静置

38 第 4章 検出器モジュールの組立

図 4.12 ディスペンサーとロボット．左側にあるロボット

に，塗布対象を固定し，塗布する熱伝導接着剤を封入した

容器 (バレル)を取付ける．一方，右側のモニタ下にある青

い装置がディスペンサーである．ここから供給された高圧

の空気は，チューブを通して，ロボット側，バレルに届く．

熱伝導接着剤は，加えられた高圧により射出される．ディ

スペンサーによる熱伝導接着剤の射出と，ロボットによる

バレル，塗布対象の動きを連動させることで，目的のパター

ン通りの塗布を実現する．

図 4.13 ディスペン

サー塗布部分．上部が

熱伝導接着剤を封入す

る容器 (バレル) であ

る．高圧を受けた熱伝

導接着剤は，ノズルの

先端から射出される．

図 4.14 セルベース．ジグのくぼみにセ

ルをはめ込んだ形で，真空吸着で固定して

いる．

図 4.15 スノーマーク．熱伝導接着剤を

ディスペンサーでこの形に塗布する．接着

時にはこれが一様に拡がる．

する．

4.2.2 ワイヤーボンディング

接着が終わった検出器モジュールに対し， ASIC-FPC 間をアルミ細線ワイヤーで電気的に

接続する．図 4.17に示すオーソダイン社 3700 plus ワイヤーボンダーで，25µm径の 1% シ

リコン含有アルミニウム細線ワイヤーを使用する．ワイヤーボンディングとは，アルミや金，

銅のような金属ワイヤーで回路の電極 (パッド)の間を電気的に接続する方法である．ここで

用いているボンディング技術は，ウェッジボンディングと呼ばれるもので，ワイヤーとパッド

に超音波を与え，それらを合金化することで接合するというものである．

4.2 組立工程 39

図 4.16 熱伝導接着剤の硬化待ち．FPC ベースの上にセルベースをのせて，硬化が完了す

るまで静置する．

ワイヤーボンディングは以下のような順序で実行する．ワイヤーとパッドの接合部分をボン

ドと称する．2つのパッドの間をワイヤーで結線する場合，初めのパッドに形成されるボンド

をファーストボンド，次のパッドのものをラストボンドと呼ぶ．ワイヤーボンダーで実際に

パッドに触れる先端部分であるボンドヘッドは図 4.18のような構造になっている．

図 4.17 ワイヤーボンダー．オーソダイン社 3700 plus

まず，ボンドツールの先端がデバイスにタッチダウンし，ワイヤーを押しつぶしつつ超音波

を与えることにより，ワイヤーとパッドを接合し，ファーストボンドを形成する．次に，ボン

ドツールが上昇することでワイヤーが引き出され，ファーストボンド，ラストボンド間のワイ

40 第 4章 検出器モジュールの組立

図 4.18 ワイヤーボンダーのボンドヘッド [14]．ア

ルミワイヤーは図の左上からワイヤーフィード，ワイ

ヤークランプを経て，ボンドツールへと供給される．

図 4.19 ワイヤーボンディング

例．FPC のパッドとアルミ板と

を結線している．

ヤーループができる．ボンドツールはラストボンドの真上に移動後，垂直に降下し，デバイス

にタッチダウンする．ここで，ファーストボンド同様にワイヤーとパッドを接合し，ラストボ

ンドを形成する．ラストボンドの形成後，クランプが閉じることで，ワイヤーを切断する．こ

のようにして，1回のワイヤーボンディングが完了する．実際にワイヤーボンディングを行っ

た例を図 4.19に示す．これは，FPC とアルミ板とを結線したものである．

ボンドパラメータ

十分な強度のボンド形成を行うには，適切なボンドパラメータを使用する必要がある．たと

えば，ボンド形成時にかける超音波が弱すぎる場合，ワイヤーとパッドが十分に接合されな

い．一方，強すぎる場合，ボンドがつぶれすぎることで，ボンド付近のワイヤーが切れやすく

なる．また，ワイヤーループの高さを，ファーストボンド，ラストボンド間の距離や高低差に

応じて決定する必要がある．実際に使用するボンドパラメータを表 4.4に示す． ここに示し

表 4.4 ボンドパラメータ

項目値

説明ファーストボンド ラストボンド

Touch force 15 10 タッチダウン時にかける荷重 [gf]

Start force 15 10 ボンド開始時にかける荷重 [gf]

Bond force 20 17 ボンド形成時間にかける荷重 [gf]

Start power 30.0 23.0 ボンド開始時の超音波出力

Bond power 30.0 24.0 ボンド形成時間の超音波出力

Start ramp time 5 3 タッチダウンからボンド開始までの時間 [ms]

Bond ramp time 10 10 ボンド開始からボンド形成開始までの時間 [ms]

Bond hold time 5 5 ボンド形成時間 [ms]

Search hight 500 600 タッチダウン速度に変化する高さ [µm]

Loop type Standard ループのタイプ

Loop height 400 ループ頂点の高さ [µm]

Raise hight 400 ワイヤー引き出し時に垂直に動く高さ [µm]

4.2 組立工程 41

たボンドパラメータの選定は，検出器モジュールを模して FPC と アルミ板とを接着した模

型を用いて行った．ボンド強度に関するパラメータを変え，そのときのボンド強度を調べるこ

とで，最も強力なボンドを形成するパラメータを選んだ．

ボンド強度の測定のために，プルテストを実施した．プルテストでは，Nordson DAGE 社

4000 plus プルテスターで，ボンディングワイヤーを鉛直上向きに引っ張り，ワイヤーが切れ

るまで力を増し続ける．ワイヤーが切れたときの力が，ボンド強度である．安定したワイヤー

ボンディングのために，ボンド強度は，10 gf 以上である必要がある．

パラメータ選定の手順は以下の通りである．まず，ボンド強度に関するパラメータについ

て基準値を表 4.5に示すように設定した．このパラメータには，force 系，power 系の 2種類

が，ファーストボンドとラストボンドの 2 個のボンドに対して存在する．このことから，合計

4 種類のパラメータセットについてチューニングを実施した．すなわち， 1種類のパラメータ

セットをまとめて変化させる一方，その他は基準値に設定して，6回から 8回のボンディング

を行い，プルテストを行った．

表 4.6から表 4.9にボンドパラメータの基準値からの変化と，そのときのプルテストの結果

を示している． この結果から，ラストボンドについては，基準値を採用した．一方，ファー

表 4.5 ボンドパラメータチューニングの基準値

項目値

ファーストボンド ラストボンド

Touch force [gf] 15 10

Start force [gf] 15 10

Bond force [gf] 20 17

Start power 28.5 23.0

Bond power 27.5 24.0

ストボンドについては，パラメータの変化による優位な強度変化は見られなかった．そこで，

ファーストボンドの force 系については，基準値を， power 系については，切りの良い値と

して，30.0 を選んだ．

このようにして選んだ，表 4.4 に示したパラメータについて，十分なボンド強度を得られ

るか確認するため，チューニングと同様の模型にボンディングを行い，プルテストを実施し

た．ワイヤーボンディングは，19 本行った．プルテストの結果は，ボンド強度の平均値が

11.5± 0.1 gf となった．このパラメータでのボンド強度は 10 gf を上回っており，十分であるといえる．

ワイヤーボンディングの実施

図 4.20のようにモジュールをジグ上に設置し，真空吸着により固定する．図 4.21のように

カメラでパッドの位置を見ながら，接続するべきパッドに合わせてボンド位置を定義すること

42 第 4章 検出器モジュールの組立

表 4.6 ファーストボンド force 系パラメー

タのチューニング

基準値との差 [gf] ボンド強度平均 [gf]

0 9.6± 0.8+10 9.7± 0.4+20 9.6± 0.8

表 4.7 ラストボンド force 系パラメータの

チューニング

基準値との差 [gf] ボンド強度平均 [gf]

0 9.6± 0.8+10 8.3± 0.6+20 8.9± 0.3

表 4.8 ファーストボンド power 系パラ

メータのチューニング

基準値との差 ボンド強度平均 [gf]

−10 10.5± 0.30 9.6± 0.8

+10 10.8± 0.2+20 10.5± 0.2

表 4.9 ラストボンド power 系パラメータ

のチューニング

基準値との差 ボンド強度平均 [gf]

−10 8.8± 0.70 9.6± 0.8

+10 8.8± 0.2+20 6.9± 0.2

でボンディングプログラムを作成する．完成したプログラムを実行すると，ボンディングが行

われる．なお，1度作ったプログラムは，同種のデバイスに同様のボンディングを行う場合，

再利用できる．

ボンディング終了後は，すべてのワイヤーが正常にボンディングされたかをカメラで確認す

る．失敗したものについては，除去し，再度そのボンディングを行う．ボンディングが終了し

た検出器モジュールを図 4.22に示す．

図 4.20 ボンディングジグ．FPC のテー

ル部に 4 本のピンを通すことで位置を合わ

せ，真空吸着で固定する．このジグは後に

行う封止でもモジュールの固定に用いる．

図 4.21 ASIC 側のボンド定義．白い長方

形が ASIC のパッドで，これに合わせてボ

ンド位置を定義する．黄色の長方形が定義

したボンドの位置である．この写真ではす

でにワイヤーを打っており，定義位置に重

なって黒く写っている．

4.2 組立工程 43

図 4.22 ワイヤーボンディング後のモジュール．検出器モジュール左右に並んでいる FPC

と ASIC のボンディングパッドの間にワイヤーボンディングを施している．

4.2.3 読み出し試験 #1

ワイヤーボンディング終了後，これまでの工程で組立てられた検出器モジュールが正常であ

るかを確認するため，読み出し試験を実施する．この試験を通過した検出器モジュールは次の

組立工程に送る．

一方，そうでない検出器モジュールはこれまでの工程に何らかの問題があったということで

ある．これはほとんどの場合は，ワイヤーボンディングのミスである．なぜならすべてのワイ

ヤーが正常にボンディングされているかを目視で確認するのは多少困難が伴うからである．そ

のため，今回の読み出し試験を通過できなかった検出器モジュールについては，初めにワイ

ヤーボンディングの失敗を疑い，調査を行う．ボンディングに失敗がある場合は，それを修正

し，再び読み出し試験を行う．ボンディングの失敗以外の原因で動作しない検出器モジュール

についてはさらなる調査が必要である．この次の工程である封止を実施すると，ワイヤーボン

ディングのやり直しが不可能になるので，この試験は確実に行うことが求められる．

読み出し試験の手順

読み出し試験の手順を説明する．なお，セットアップ，手法，用語に関する詳細は第 6章に

譲り，ここでは読み出し操作の項目について触れるに留める．

検出器モジュールを DAQシステムに接続し，FPCに Low Voltage (LV)を与え電力供給を

開始する．センサーには High Voltage (HV) を印加する．スレッショルドおよび，Time over

Threshold (ToT) のチューニングを行う．その上で，digital scan, analog scan, threshold

scan, ToT scan を行う．ここまでで表 4.10に適合するような正常な応答が得られていれば，90Sr ベータ線源を用いて source scan を実施する．以上で得られたデータが表 4.10に示す基

44 第 4章 検出器モジュールの組立

準を満たしているか確かめ，適合していれば，試験通過となる．

表 4.10 読み出し試験の判断基準

試験項目 基準

Digital scan 99% 以上のピクセルが正常値*1を返す．

Analog scan 99% 以上のピクセルが正常値*1を返す．

Threshold scan チューニング後のピクセル threshold 分布の中央値が設定値に等しい．

ToT scan チューニング後のピクセル ToT 分布の中央値が設定値に等しい．

Source scan 99% 以上のピクセルにヒットが見られる．

4.2.4 封止

樹脂封止は，主に次に挙げるものからワイヤーを保護するために行う．

• ワイヤーの振動• ワイヤーの化学物質による腐食• 外力によるワイヤー損傷

ワイヤーの振動，腐食は IBL 検出器のモジュールにおいて報告された問題である [15]．振動

は，検出器モジュールが磁場中に置かれたとき，ワイヤーに流れる電流がローレンツ力を感じ

ることで起こる．一方，腐食は，ボンディングパッド付近に何らかの原因により生じたハロゲ

ンがボンドと反応することで引き起こされる．

ワイヤー損傷を引き起こす外力は，次が考えられる．先に述べたように，FPC のテール部

は，ピクセル検出器の構造体に搭載する際，折り曲げられることになる．その折り曲げ作業の

とき，ワイヤーと FPC との接触が起こり，損傷を与えるおそれがある．

封止材

封止材には，放射線，温度変化への耐性が要求される．第 5章で説明するが，最適な封止材

としてダウコーニング社 Sylgard 170 を選定した．ところが，組立を実施した段階では，その

選定が終了していなかったため，温度変化への耐性があり，使用がしやすい塗布時の粘度であ

るダウコーニング社 Sylgard 184 を用いた．Sylgard 184, 170 の特性を表 4.11にまとめる．

また，作業工程の項目で詳しく述べるように，封止材を塗布するにあたり，それをせき止める

ためのダムを形成する．ダムに用いる樹脂は，塗布時に高粘度であること，短い時間で硬化す

ることが求められる．この条件を満たすものとして，紫外線硬化型の Dymax社 9001-E-V3.7

を選定した．特性を表 4.12にまとめる．

*1 USBPix システムならば，200．Yarr-KC705 システムならば，100．

4.2 組立工程 45

表 4.11 Sylgard 184, 170 の特性 [16, 17]

項目 Sylgard 184 Sylgard 170 単位

材質 シリコーン樹脂 シリコーン樹脂 -

色 無色透明 灰色 -

粘度（塗布時） 3.5 2.1 Pa · s可使時間 (25 ◦C) 90 15 min

硬化時間 (25 ◦C) 48 24 h

熱膨張係数 (CTE) 340 275 ppm/K

使用可能温度範囲 −45 から +200 −45 から +200 ◦C

表 4.12 9001-E-V3.7 の特性 [18]

項目 値 単位

材質 ウレタン -

色 無色透明 -

硬化方法 紫外線 -

粘度 (塗布時) 50 Pa · s熱膨張係数 (CTE) 95 ppm/K

使用可能温度範囲 −40 から +125 ◦C

封止の作業工程

封止材塗布には熱伝導接着剤の塗布と同様にディスペンサー，ロボットを使用する．まず，

ワイヤーボンディング後の検出器モジュールを真空吸着でジグに固定する．図 4.23のように

FPC 上にダム材を塗布し，紫外線を照射して硬化させる．紫外線照射は，波長 300 から 500

nm，光量 150 mW/cm2 で 30 秒間行う．次に，封止材をワイヤーボンディング領域に流し

込む．封止材は，検出器モジュール端では表面張力により止まり，検出器モジュール内側では

ダムによってせき止められる．塗布後は静置し，硬化を待つ．封止後の検出器モジュールを図

4.24に示す．

4.2.5 読み出し試験 #2

封止により検出器モジュールが損傷していないかを確かめるため，再び読み出し試験を実施

する．試験の内容及び基準は 1 回目の読み出し試験と同じである．試験を通過した検出器モ

ジュールが次の工程に進む．

46 第 4章 検出器モジュールの組立

図 4.23 封止ダム．FPC 上ワイヤーボン

ディングパッドと表面実装との間にダムを

形成した．

図 4.24 封止後の検出器モジュール．ダム

より外側，ワイヤーボンディング領域を樹

脂で覆っている．

4.2.6 パリレンコーティング

センサー端と ASIC 間の放電を防ぐために，検出器モジュール表面に，およそ 7 µm厚の

パリレンコーティングを施す．パリレンとは，合成高分子の一種で，湿度や化学物質からの保

護，絶縁の用途に用いられる．パリレンコーティングは，日本パリレン社において，検出器モ

ジュールにパリレンを蒸着させることで行われる．

ただし，検出器モジュール表面のうち，コーティングを行ってはならない部分もある．ひと

つは，クーリングパイプに接着する CFRP であり，この間にパリレンがあると，熱伝導を妨

げる恐れがある．また，FPC のテールの先も，読み出し用コネクタがあるため，コーティン

グを行ってはならない．このような必要を満たすため，現在はコーティングの手法を研究開発

中であり，今までに組立てた検出器モジュールに対しては，この工程を実施していない．

4.2.7 読み出し試験 #3