ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova Email: [email protected] Stato del progetto:

ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002

ATLAS Pixel

ATLAS Pixel

Giovanni Darbo / INFN-GenovaEmail: [email protected]

Stato del progetto: (enfasi su Elettronica DSM e Assiemi DSM).Attività nei laboratori.M&O, C&I e Supplementary CostsCORERichieste 2002

Copia della presentazione: http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/home.html


Rivelatore ATLAS PixelRivelatore ATLAS Pixel

ATLAS ha deciso, per necessità di risparmio, di iniziare la presa dati con un layout ridotto. Le maggiori limitazioni sono state imposte al TDAQ e ai Pixel (layer-1 staggiato).

Stiamo studiando gli effetti sulla Fisica della riduzione di un layer:Migliora (4 %) H-> e H -> e+e-e+e-, ma peggiora il b-tagging (in fase

di studio)

Nel frattempo l’inizio di LHC è stato spostato al 2007.

Stiamo considerando se non sia il caso d’introdurre il layer-1 prima del 2007:

In ogni caso la mancanza di un layer non scala il risparmio: Cavi, Meccanica, Sensori, Elettronica (forse, se la resa è elevata) prodotti per tutto il rivelatore.


Primo Run DSMPrimo Run DSM Primo engineering run elettronica DSM (1/02):

12 wafer / 112 possibili reticoli buoni / 10 chip.

FE-I (tipo A[10fF]/B[5fF]), MCC, DORIC/VDC e chip di test risultano funzionanti.

Alcune modifiche e correzione d’erroriminori saranno necessarie per passare a chip di produzione.

MCC-DSMMCC-DSM

ReticleReticle

DSM-1 è un grosso successo:DSM-1 è un grosso successo:• Tutti i chip funzionano. Tutti i chip funzionano. • Numero d’errori minimo.Numero d’errori minimo.• Completo ridisegno.Completo ridisegno.• Complessità dei chip.Complessità dei chip.

Produzione può essere pianificataProduzione può essere pianificata


Primo Run DSM: Problemi di Yield

Primo Run DSM: Problemi di Yield

Yield di produzione dei FE-I~15% con chip buoni al centro e ai bordi:I reticoli che hanno un FE-I/B buono (in nero nelle fig. a destra)

normalmente hanno anche un FE-I/A buono (fig a sinistra)Test su 15 MCC scelti “random” - 1 buonoTest su 15 MCC da reticoli con un

FE-I buono- risultato 14 buoni.

Wafer 23

Wafer 0

GOODBAD

MCC

No of Good FE-I COL.


Secondo DSM Run - YieldSecondo DSM Run - Yield IBM ha prodotto 2 lotti di 25 wafer (potremo acquistare i wafer che

consideriamo buoni - 55 k$/lotto)Testati 12 wafer su 25, resa ~ 70% !.

Gen’02SESB23T

Giu’02WZ8P5BZ

Test OK:FE-IA: 81FE-IB: 82

Selected:FE-IA: 25FE-IB: 19


FE-I - Caratteristiche PrincipaliFE-I - Caratteristiche Principali Global Register (202 bit)

Higlights: 14 DAC (IF degli amplificatori, Ith per controllo globale soglie, Vcal per selezionare la carica da iniettare per calibrazione, etc..)

Configurazione dei Pixel (14 bit):Higlights: 5 bit per valore della soglia, “kill bit” per spegnere

l’amplificatore in caso di noisy pixel, select bits per calibrazione, per HitBus e per digital readout.

Digital Readout:8 bit time stamp -> 6.4 µs di L1 latency64 end of column buffer (24 nei precedenti) -> sufficienti anche per il b-

layer a massima luminosità. Caratteristiche analogiche

Noise (senza sensore) 200 e-, Dispersione soglia (900-1000 e- untuned, 90 e- tuned, timewalk -> test beam (efficienza in time > 99%).


MCC-I - Caratteristiche Principali MCC-I - Caratteristiche Principali Ridisegno completo dell’architettura delMCC-I rispetto al MCC-AMS: Profondità FIFO = 128 hit (32 hit), Delay line programmabile per cal. FE-I Output data selezionabile tra 40 e 160

Mb/s (40 Mb/s) -> minore inefficienza B-layer;

Consumo tipico: 110 mA @ 2V/40MHz (70 mA @ 3.3V / 40MHz);

Fino ad oggi trovati solo errori minimi nel disegno del chip che verranno corretti alla prossima sottomissione.

Irraggiamento al PS (fine Giu ’02): problema principale potrebbe essere SEU -> ridisegno registri critici.

Die Size6.38 x 3.98 mm2

650.000 Transistors


MCC-I Test @ Genova - Ricostruzione Ev. Sim.MCC-I Test @ Genova - Ricostruzione Ev. Sim.

MCC#4 - Receiver # 7 DisabledMCC#4 - Receiver # 7 DisabledMode 40 x 1Mode 40 x 1

LV1 COMMAND TO MCCLV1 COMMAND TO MCC

LV1 COMMAND TO FE’sLV1 COMMAND TO FE’s

HITS FROM FE’sHITS FROM FE’s

MCC DTO/2MCC DTO/2


Assiemi DSMAssiemi DSM Vari assiemi di singoli chip (FE-I con sensore) con sensori CiS e Tesla di

pre-produzione caratterizzati in laboratorio. Tipici valori (vedi slide FE-I#7)Noise 250 e-, soglia 3000 e- con dispersione di 80 e- dopo il tuning (900 e-

untuned). Assiemi di singoli FE-I sono stati irraggiati (inizio maggio) e sono stati

testati al fascio H8 (fine Maggio / Giugno). Disponiamo di chip FE-I per produrre fino a 6 moduli (bassa resa del lotto

di Gennaio). Con i nuovi lotti -> nuovi moduli. Primi 3 moduli con bump-bonding AMS montati a Genova nelle scorse 2 settimane (altri moduli con bump IZM in fase di costruzione a Bonn, LBL).Quasi tutti i 16 chip FE-I funzionano ed è possibile fare il tuning delle soglie

(noise (FE-IA/B) = 280÷290 e, soglia 3000 ÷ 4000 e / sigma soglia 100÷170 e);

I moduli DSM funzionano (anche se non provati su fascio)I moduli DSM funzionano (anche se non provati su fascio)Noise quasi uguale a singoli chip !Noise quasi uguale a singoli chip !Ridisegno TPLL / FH / MCC / FE-I ! Ridisegno TPLL / FH / MCC / FE-I !


Genova FE-IB#7Genova FE-IB#7

Sogliam=3140 e = 88 e

Noise

Soglia

Noise m = 250 e

Soglia

Noise

Soglia

Noise

m=3130 e = 955 e

m = 275 e


Assiemi DSM - Time Walk e Efficienza

Assiemi DSM - Time Walk e Efficienza

La fluttuazione di carica (Landau) ha effetto sulla risposta temporale del discriminatore (time walk) e questo sull’efficienza nel tempo risolutivo di un bunch crossing di LHC (25 ns).

0.91.297.9D

1.01.397.7B(60 MRad 600 V)

1.41.297.4AAMS 310b

0.40.399.3GE 09

0.30.599.2GE 04

late0 hitsConf.Device

A.Andreazza, F.Ragusa e C.Traoncon

Pixel Week 6/02

Non irraggiato

Irraggiato(60 Mrad)


Sorgenti e FE-I: Am241 and Cd109

Sorgenti e FE-I: Am241 and Cd109

Usando la misura di ToT è possibile misurare la carica di ogni Pixel (8-bit).

Esempi di photopeak per Cd109 e Am241 per lo stesso pixel nelle figure a destra.

Una volta calibrato il rapporto tra i 2 picchi da un valore di 2.69÷2.77 (a seconda del chip), valore aspettato 2.73

Cd109

Am241

Am241E’ possibile usare i FE-I e i moduli in modo “Self Trigger” molto utile per test con sorgente senza trigger esterno

Plot di una sorgente di Am241 con FE-I in self trigger


Moduli: Flex Hybrid e Carta di Supporto

Moduli: Flex Hybrid e Carta di Supporto

I Flex Hybrid (V.3 - MCC-AMS e V.4 MCC-I) utilizzano una carta di supporto per test/handling fino al momento di posizionamento dei moduli sullo stave.

I FH3 utilizzati per messa a punto sistema test.

I FH4 sono attualmente in uso per i moduli DSM

Support Card V.3


Macchina a X-ray @ GenovaMacchina a X-ray @ Genova

I bump prodotti dall’AMS sono buoni, ma il taglio dei chip di FE è da migliorare e si sospetta che alcuni chip siano stati danneggiati durante il taglio.In produzione il taglio wafer non sarà fatto all’AMS. Assottigliamento e taglio in US.

I bump I bump schiacciatischiacciatiMacchiaMacchia dell’Indio dell’Indio

I bump buoniI bump buoni

Il bordo non èIl bordo non è””in contrasto”:in contrasto”:tagliato male!tagliato male!


Le colonne mancanti erano note prima dell’assemblaggio

DV

DD

sh

or t

s in

bo

th F

E

noise ~290e

Th = 3078 e

Modulo FE-IB # 3 di GenovaModulo FE-IB # 3 di Genova

Il FE-IB permette d’avere un noise (e soglia) un po’ più bassi, ma il time walk

è maggiore


sho r

t ci r

cui t

noise ~290e

Non è ancora possibile usare il “self triggering” e abilitare più di un FE alla volta (software in sviluppo) : Trigger con impulsatore e Am241 (tempo morto / sensibile = 2000/1)

FE #3

FE #3

Modulo FE-IB # 3 di Genova: Sorgente

Modulo FE-IB # 3 di Genova: Sorgente


Irraggaimento al PSIrraggaimento al PS 8 assiemi con singoli FE-I di

tipo A [5] e B [3], sensori Tesla [5] e CiS [3], bumps IZM [5] e AMS [3] sono stati irradiati fino a 60 Mrad e hanno continuato a funzionare. Problemi evidenziati:Dispersione di soglia cresce

con l’irraggiamento -> necessità di re-tuning

Rate di SEU elevato (1/s per i flip-flop dei Global Reg del B-layer a massima luminosità) -> alcune modifiche nel layout per la prossima sottomissione

I FE-I hanno la possibilità della misura della corrente di leakage del sensore (dopo 60 Mrad la Ileak-media = 30-50 nA/pix)

AMS_310B CIS sensor, AMS bumps, temperature -6.5C during measurement, mean leakage for 400µm single pixels =

56nA. (60 MRad)

Mappa della corrente di leakage


MeccanicaMeccanica

Produzione dei supporti globali e locali procedono (ritardo di 6 mesi nella produzione CC dovuto ad un errore di produzione: entrata aria nel forno, non critico).

Ci stiamo spostando su tooling per integrare moduli su stave (Genova) e montare il rivelatore (Milano).

Siamo coinvolti anche su parte dei servizi: ad esempio il patch panel 2 (Milano) che conterrà i regolatori di tensione.


Montaggio/Test FH-ModuliMontaggio/Test FH-Moduli Sistema di test dei FH in funzione (~20’ / FH), alcune ottimizzazioni

nel software per ridurre tempi di test. Si prevede di testare 1/2 produzione.

Tool di montaggio/incollaggio/wire-bonding dei moduli: messi a punto o in fase avanzata di preparazione -> necessità di realizzare “hot” moduli per verifica.

Sistema di Test FH sotto punte

Dispenser collaper incollare FH

su modulo


Robot per posizionare Moduli su Stave

Robot per posizionare Moduli su Stave

Genova:Genova: (assembly site di moduli, stave e barrel layer) verrà duplicato il robot (vedi fig.) messo a punto a Marsiglia.

Necessità d’acquisire motori, controller e driver per movimenti di precisione

Richiesta finanziamento nel 2003


Robot montaggio moduli su staveRobot montaggio moduli su stave

Macchina realizzata a Marsiglia da duplicare a

Genova


Integration & Testing Tool - ITTIntegration & Testing Tool - ITT

QuickTime™ and aAnimation decompressor

are needed to see this picture.

Il gruppo di Milano ha la responsabilità del progetto dei tool (ITT) per assemblare il rivelatore a pixel prima d’inserirlo all’interno del’ID.

Il disegno ha passato il Conceptual Design Review (CDR 2/02)

La realizzazione deve essere completata nella prima metà del 2003 per permettere i test d’integrazione del sistema Pixel.

Vedi presentazione D. Giugni ai referee di ATLAS del 10-11 Giugno ‘02:Vedi presentazione D. Giugni ai referee di ATLAS del 10-11 Giugno ‘02:http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/

Richiesta finanziamento nel 2003 e anticipo del 25% su 2002 (nuovo

finanziamento)


Spine per l'allineamento

Gomma per compensare differenze di altezza da

chip a chip

Molletta per tensione di svuotamento

Premi modulo per evitare spostamenti in alto del sensore

Test dei Bare ModuleTest dei Bare Module

Le modifiche necessarie per moduli DSM sono in fase di messa a punto.


Pixel Detector PP1

PP3

PP3 Located on the service platform.

Tile Cal

Lar Cal

Beam Line

Muon Chambers

Cooling, Signal & Optical Readout

Power and HV cables

Type II - Twisted Pair Cables (~ 9 meters)

Power and HV cables

Type III - Twisted Pair Cables (~ 20 meters)

PP2

PP2 for cooling

Z = 0

Voltage regulation

box

Routing dei servizi e posizione regolatori rad-Routing dei servizi e posizione regolatori rad-hardhard

Routing dei servizi e posizione regolatori rad-Routing dei servizi e posizione regolatori rad-hardhard

PP2

L’elettronica DSM è molto più sensibile a sovracarichi (max 4V) rispetto a quella DMILL (max 7V)

Cavi resistivi caduta 2÷2.5V

Regolazione delle tensioni a 10 m (PP2) mediante regolatori rad-hard


Regolatori ST (LHC4913)

Vin = 5.5 V

Iload from 0.72 A -> 1.55 A

Vout from 2.46 V to 2.55 V

100 mV 20 ns

Situazione:

I primi prototipi di regolatori rad hard della ST (LHC4913) sono stati consegnati a Milano solo a dicembre

Ritardo di quattro mesi !!!

Simile ritardo per la distribuzione di regolatori in quantità commerciali: 200 regolatori sono stati consegnati solo a fine aprile

Sia i prototipi sia i dispositivi in quantità soddisfano le specifiche dichiarate da ST

I regolatori sono stati testati in condizioni “simili a quelle reali”:il carico è stato simulato con un carico elettronico programmabile

tra regolatori e carico è stato posto un cavo da 10 metri

Progetto e prototipi delle PP2 box nei prossimi mesi.

Regolatori di tensione ST - LHC4913

Regolatori di tensione ST - LHC4913


Test SensoriTest Sensori Installato probe chuck a doppia faccia

( Dortmund) per le misure sui wafer Realizzata linea di distribuzione

azoto per operare il probe chuck Acquistati elettrometro e generatori

di tensione per misure di protocollo


Test dei SensoriTest dei SensoriPre-produzione:

14 wafer CiS + 8 wafer Tesla85% dei test sono già stati effettuati10 wafer Tesla in arrivo per metà luglio

Produzione:8 wafer CiS già arrivati23 wafer CiS in arrivo per metà luglioflusso stimato di arrivo dei wafer a Udine: 12 al mese


Test (campioni) di Sensori Irraggiati

Test (campioni) di Sensori Irraggiati

Il protocollo di QA/QC richiede che 2 strutture per lotto di 8 Wafer vengano irraggiate e testate a bassa temperatura

Refrigeratore chuck

Chuck freddo

Refrigeratore N2

Bombola N2 Scambiatore termico

Tubo-N2 freddo

Richiesta finanziamento nel 2003 e parziale anticipo su 2002 (nuovo

finanziamento)


DAQ-1DAQ-1

DAQ-1: Software modulare che permette l’integrazione della TPLL (lettura singolo chip/modulo) ed in secondo tempo dei ROD (sistemi multi-modulo) nel test beam.

Tale software sarà anche usato nei laboratori per test con sorgente e per la caratterizzazione dei moduli in produzione.

Responsabilità di Genova (P.Morettini - resp. progetto) e Udine (Monitoraggio on line)


Analisi Test BeamAnalisi Test Beam

Studio dei sensori prima e dopo l'irraggiamentoMisura della depletion depthMisura della raccolta di carica

Studio FE-I - efficienza / noise / cross talk

Studio moduli


ConclusioniConclusioni

Elettronica DSM (grosso successo) funziona (correzioni minori).

Singoli assiemi funzionano: basso rumore, resistono radiazione.

Moduli funzionano (studi necessari): rumore come singoli assiemi.

La schedule del rivelatore a Pixel potrà essere mantenuta non La schedule del rivelatore a Pixel potrà essere mantenuta non essendoci importanti ridisegni necessariessendoci importanti ridisegni necessari


Date ImportantiDate ImportantiPanorama generale con particolare attenzione alle attività italiane e alle richieste finanziarie INFN.

Date Importanti:- Consegna 120 wafer di sensori (CiS) e ~50 (Tesla): 28/06/02 UD

- PRR Flex 8/10/02 GE-MI

- FDR elettronica FE e MCC 10/10/02 GE

- 10% bare staves completi 15/11/02 GE

- Sottomissione FEI2 e MCCI2 1/12/02 GE

- PRR Bare Module 10/12/02 GE-MI-UD

- Inizio produzione elettronica DSM 1/10/03

- Inizio produzione moduli 15/04/04 GE-MI-UD

- Barrel (Disk) al CERN 06/05

- Pixel/Beam pipe nel pozzo 02/06


Milestone INFN 2002Milestone INFN 2002

Data Milestone Stato 6/02

26-02-2002 Global Support & Support Tube PRR Completata10-04-2002 FE-I2 & MCC Final Design Review (FDR) 10-10-2002

3-07-2002 Flex Hybrid Production Readiness Review (PRR) 11-10-200230-04-2002 Caratterizzazione regolatori tensione rad-hard 30-06-200230-10-2002 Progetto sistema power supply 30-10-2002

Milestone progetto Pixel 2002


M&O, C&I, “Supplementary Costs”

M&O, C&I, “Supplementary Costs”

I costi M&O-B 2002 sono stati approvati dall’RRB di Aprile 2002; I costi M&O-B 2003 sono stati presentati all’RRB di Aprile 2002.

2002 2003 2002 2003 2002 2003140 140 25 125 150 350

150 150 0 0 45 500

100 100 0 0 120 540

0 0 742 984 530 730

390 390 767 1109 845 2120

INFN Sharing

- Pixel 32.2% 48.3 48.3 0 0 15 161

- ID 6.3% 0 0 47 62 33 46

48 48.3 47 62 48 207

33.1 33.1 32.0 42.5 33.1 141.8

M&O-B (kCHF) C&I (kCHF) Suppl. Cost (kCHF)

Ripartizione:

Totale kCHF

Totale k€

- TRT

- PIXEL

- SCT

- ID

Totale


M&O, C&I, Supplementary CostM&O, C&I, Supplementary Cost

I costi M&O, C&I e Supplementary Costs per il 2002 sono stati ripartiti all’interno della collaborazione Pixel (vedi tabella slide successiva)

Per quanto riguarda la suddivisione dei costi tra le varie componenti della collaborazione Pixel per il 2003, questi verranno discussi a un prossimo “Pixel Steering Group”.


M&O, C&I, Supplementary Costs (2002)

M&O, C&I, Supplementary Costs (2002)

Item Rich. (k€) Nota

Test Beam Già dati 3.5 k€Sistema DAQ-1 per il test beam 15.0Cooling per moduli test beam 4.0Power supply (HV+LV) per moduli test beam/lab CERN 6.0Contributo strumentazione per lab pixel (DVM, oscilloscopio, … ) 4.5

Totale 29.5


Refurbishing Racks per SR building (parte) 7.0Contributo piping / cabling SR building 4.0Contributo sistema di raffreddamento in SR building 21.0

Totale 32.0


Sistema di ventilazione SR 22.5Rinforzo pavimento Poli 10.5

Totale 33.0

Supplementary Costs

M&O-B 2002

C&I-B 2002


Descrizione Rich Ass Sblocco

Giu02 Sez IVA

Run DSM (DSM2): s.j. risultato DSM1 – tipo 1 58.0 58.0 58.0 GE NOProduzione 10% del bump-bonding: s.j. risultato DSM1 – tipo 1 40.0 33.5 17.0 GE SIProduzione 10% dei flex hybrids: s.j. risultato DSM1 – tipo 1 20.0 16.5 8.0 GE SIBump bonding (10%): s.j. a successo DSM1 – tipo 1 40.0 33.5 17.0 MI SIIva su voci CORE 10.0 8.4 GE+MI IVAMissioni estere (Irraggiamento + H8 + Nuovo DAQ) 23.0 GE -Assegnato s.j. su Napoli MI -

10.0 UD -

Totale 276.5 141.4

Descrizione Rich Sez

Tools B_layer (Supplementary Cost - 2003) 10 MI2 batch wafer DSM (20+20 k€) 40 GEChuck freddo + chiller 5 UD

Totale 55

Sblocchi 2002 S.J.

125.0

Nuove Richieste 02

Se dato non richiesto nel '03

Anticipo su totale di 37.6Potrebbe essere 1 batch

Nota

Sblocchi S.J e Nuove Richieste 2002

Sblocchi S.J e Nuove Richieste 2002

Nelle richieste di M.E. ci sono (nuovi) impegni nel DAQ-1 di GE e UD. Per GE consideriamo anche un assegnista che prenderà servizio a giugno. Mentre M. Cobal (UD) come coordinatrice fisica TOP ha maggiori necessità di permanenze al CERN.


Finanziamenti Core al 2002Finanziamenti Core al 2002

La tabella riepiloga i costi CORE finanziati fino a Set’01. Nella ripartizione per capitoli risulta che la meccanica dei supporti locali (1.1.1.1) ha sforato di 50 k€ la quota italiana del MoU.

INFN MoU INFN MoU INFN MoU Fin.ati S.J. / 02(kCHF) (k€) % (k€) (k€)

1.1.1.1 Construction of barrel supports including cooling pipes 320 238 40 2781.1.1.3 Construction of support structure and tooling 150 112 381.1.2.1 On-chip rad-hard electronics 1,794 1,336 27 81.1.2.2 Sensors 456 339 40 3261.1.2.4 Module integration 1,555 1,158 46 85 841.1.3.1 Cables, links, power supplies and DCS 626 466 361.1.4 Module-0 35 26 10 26

ID General Pixel 135 101

Totale 5,071 3,776 722 84

Fianziamenti INFN CORE per capitoli MoU

Cap. Descrizione

Documents

ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova Email: [email protected] Stato del progetto: