PHENIXシリコンピクセル検出器ラダーの組み立て

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1 PHENIXシリコンピクセル検出器ラダーの組み立て
立教大学　羽木洋介 秋葉康之A, 延與秀人A, 河西実希, 金谷淳平A, 栗田和好, 黒澤真城A, 関本美知子B, 竹谷篤A, 橋本公瑛, 藤原康平C, C. Pancake D, E. Shafto D, Nicole Cassano D, Olivier Drapier E, Franck Gastaldi E, E.J. Mannel F 他 PHENIX VTX group 理研A, KEK B ,都産技研C ,Stony Brook Univ. D, LLR Ecole Polytechnique E , Nevis Lab Colombia Univ. F

2 PHENIX upgrade 粒子識別法 検出器への要求 崩壊距離 クォーク ・ グルーオンプラズマの性質解明 重いクォーク c,b
エネルギー損失の質量依存性 楕円型フロー強度v2の質量依存性 陽子のスピン構造の解明 重いクォークを用いたグルーオンの 　　スピン偏極度測定 （ΔG/G） g-jet 相関を用いたグルーオンの 　　スピン偏極度測定 粒子識別法 重いクォークの区別 高い崩壊距離測定分解能 　 s < 100mm Jet の再構成 広いアクセプタンス 　 |h| < 1.2 and f ~ 2p 運動量分解能  sp/p ~ 10% 低物質量  X/X0 < 12.5% X0：放射長 放射線耐性  1Mrad in 10years 検出器への要求 荷電粒子 崩壊距離 崩壊点 QGP中でのクォークのエネルギー損失の質量依存性を測る 衝突点から～１００um走って崩壊 二次崩壊点まで ◎DCA (Distance of Closest Approach) →崩壊点から２つ以上の粒子が観測され、第二崩壊点がわかる。 衝突点から第二崩壊点の距離がわかる。 ◎メソンの寿命から５０μmの精度が必要であることを述べる。 ◎寿命の数字を読む。 　B,Dボソンの寿命の差が最小でおおよそ１００μm →１００μmの差をみるのにDCAの精度として５０μmが必要！ ◎ほんとにＤＣＡでボトムとチャームのイベントを区別できるのか？ 　→シミュレーションでは区別できている。 ◎B,D中間子、どちらの崩壊から現れた電子であるか区別するために 崩壊までの飛行距離を測定し、そこから粒子の寿命を測定する。 b quarkを含むイベントからc quarkのイベントを分離する。→ボトムとチャームのイベントをわける実験は初めて。 ◎０℃で稼動するものを室温で作って大丈夫？ 　→詳しい値は手元にないが、部材における熱膨張率を検討した結果ストレスはないので問題なし。 Meson Life time [ct] B mm B mm D mm D mm 衝突点

3 Radiation Length (X/X0)
シリコン崩壊点検出器 内側2層 ： ピクセル 型検出器 外側2層 : ストリップピクセル 型検出器 ピクセルフルラダー ストリップピクセルフルラダー 22.7cm L3 : 31.8 cm L4 : 38.2cm 4層の円筒構造 VTX Layer 1 2 3 4 Channel count Sensor size r  z (cm2) 1.28  1.36 (cm2) (256 × 32 pixels) 3.43 × 6.36 (cm2) (384 × 2 strips) Channel size 50  425 mm2 80  1000 mm2 Readout channels 1,310,720 2,621,440 138,240 239,616 Radiation Length (X/X0) Total 1.28% 5.0 % 樽状に配置してる 絵を大きく

4 < Pixel sensor wafer >
ピクセルセンサーモジュール < Pixel sensor wafer > 厚さ : 200mm ピクセルサイズ : 50mm×425mm ピクセル数 : 8192×4 56.72mm 13.92mm 厚さ : 150mm チャンネル数 : 8192 < ALICE1LHCb r/o chip > 15mm 57mm < Pixel sensor module > ピクセルサイズ : 50mm×425mm 総ピクセル数 : 読み出し チップ×４ 20μm Solder センサー バンプボンド

5 信号読み出し用バス ポリイミドベースフレキシブルプリント基板 最小線幅 ： 30 μm 最小線間 ： 30 μm 信号線数 ： 188 本
Power 50 m Al GND 50 m Al Signal m Cu Signal m Cu Signal m Cu Signal m Cu Bonding pads

6 ラダー量産組み立て手順 ステイブ（支持体＋冷却系） 1.センサーとステイブの接着 2.センサーとバスの接着 3.ワイヤーボンディングと封止
ラダー断面図 ステーブ センサー モジュール 読み出しバス ワイヤー ダム剤（Sylgard186） 充填剤（Sylgard186）　 ２５０mm １3.8mm 信号読み出しバス　２枚（左側、右側） アラルダイト 2011 ピクセルセンサーモジュール×４　　 アラルダイト 2011 字がみずらい ここに問題点を入れる バンプボンド ステイブ（支持体＋冷却系）　

7 ピクセルラダーの信号線短絡 ショート GND ワイヤーボンディングによる短絡 ボンディングパッド 読み出しチップ Al ウェッジボンディング
ワイヤーボンディングによる短絡　 ショート GND ボンディングパッド 読み出しチップ Al ウェッジボンディング パッドピッチ : 120 mm ワイヤー径 : 25 mm 視点を揃える ショートすることが大事 バスとワイヤー分ける 同じもので違うことをチェックしてる 製造工程の途中でここが問題になる 読み出しチップと読み出しバスを接続するワイヤーボンディングにおいて、GND と ショートする可能性

8 短絡検査システムの概要 短絡の定義 抵抗値 ＜ 100 Ω PC GPIB cable スイッチシステム 信号線 デジタルマルチメータ 保護
回路 　スイッチステム ( 7002 SWITCH SYSTEM : KEITHLEY ) による信号線の切り替え 　デジタルマルチメータ ( 2000 MULTIMETER : KEITHLEY ) よる抵抗値の測定 　Visual Basic アプリケーションによる制御・短絡判定・結果の表示 箇条書き GPIBの結線 スイッチの絵ここ

9 短絡の判定 （＜100Ω） に関して 十分な測定精度 ツェナーダイオードを用いた保護回路 ツェナー電圧 i i2 i1
１００ Ω ツェナーダイオードの特性曲線 高抵抗のとき電流を上げて測定する 電流が上がると i2 に電流が流れる 高抵抗のとき、測定値にズレが起こる ツェナーダイオードをつけた時とつけない時の測定値の歪み １０＾５まではおｋだった（KEITHLEY ２０００ のとき） 特定の場合 １００Ω 短絡の判定 （＜100Ω） に関して 十分な測定精度

10 Visual Basic アプリケーションによる全自動制御
開発環境：Visual Basic 2008 Express Edition デジタルマルチメータ と スイッチシステムの 制御と短絡判定を Windows PC 上で行う ○機能 GPIB インターフェースによるスイッチ切り替え 短絡の自動判定 ・ 表示 検査時間 ： ２分 測定抵抗値を csv 形式にて自動出力 遠隔地とのデータのやり取り可能 自動制御と短絡判定 検査時間を１時間から２分に短縮 品質の安定性 人為的ミス Ｃｓｖ は遠隔地でのデータのやりとりに使える 24.7 ×

11 短絡を判断可能 短絡検査結果 100Ω ショート 2000 MULTIMETER (KEITHLEY) Connect box
7002 SWITCH SYSTEM PC GPIB cable USB Test card Ladder Extender GND 短絡を判断可能

12 まとめ 　PHENIX 実験の為のシリコンピクセル型検出器の量産を進めている 　全自動短絡検査装置により短絡の判定を可能にした 　検査工程の簡略化、人為的ミスの排除 　検査時間 ：１時間 → 2分 　短絡を判定し、即座に修正が可能に 　順次生産されているラダーの検査を行っている 　2010年 PHENIX検出器に本検出器をインストール予定

13 Back Up

14 短絡検査装置にて目視では判断不可能な短絡を発見
短絡検査結果 （Ladder 10） GND 10 9 9 10 GND 短絡検査装置にて目視では判断不可能な短絡を発見 プローブ跡削り、ボンディング除去後 抵抗値 [Ω] Pad number Pad name バス 単体 ボンディング後 プローブ跡 削り後 ボンディング 除去後 9 DAC_REF_VDD 10kΩ以上 43.8 43.3 10 DAC_REF_MID 52.2 目視検査による短絡判定 Ladder10 Sensor Module 71 Sensor Module 66 Sensor Module 72 Sensor Module 63 短絡数 46 32 42 45