ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova Email: [email protected]Stato del progetto: (enfasi su Elettronica DSM e Assiemi DSM). Attività nei laboratori. M&O, C&I e Supplementary Costs CORE Richieste 2002 Copia della presentazione: http://www.ge.infn.it/ATLAS/PixelItalia/home.html
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ATLAS Pixel G. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002 ATLAS Pixel Giovanni Darbo / INFN-Genova Email: [email protected] Stato del progetto:
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ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 2002
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20022
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.
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20023
Primo Run DSMPrimo Run DSM Primo engineering run elettronica DSM (1/02):
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20024
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.
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20025
Secondo DSM Run - YieldSecondo DSM Run - Yield IBM ha prodotto 2 lotti di 25 wafer (potremo acquistare i wafer che
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20026
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%).
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20027
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20028
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 20029
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 !
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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
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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)
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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
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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
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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!
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200221
Robot montaggio moduli su staveRobot montaggio moduli su stave
Macchina realizzata a Marsiglia da duplicare a
Genova
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200222
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)
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200223
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.
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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
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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
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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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200227
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200228
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)
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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)
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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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200231
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
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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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200233
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
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200234
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.
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”.
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200236
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
Item Rich. (k€) Nota
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
Item Rich. (k€) Nota
Sistema di ventilazione SR 22.5Rinforzo pavimento Poli 10.5
Totale 33.0
Supplementary Costs
M&O-B 2002
C&I-B 2002
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200237
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 -
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.
ATLAS PixelG. Darbo - INFN / Genova Frascati, 25 Giugno 200238
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.