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Das "Origami"-Chip-on-Sensor-Konzept für die Auslese eines doppelseitigen Siliziumdetektors

Das "Origami"-Chip-on-Sensor-Konzept für die Auslese eines doppelseitigen Siliziumdetektors. C.Irmler, M.Friedl, M.Pernicka HEPHY Wien. Motivation: Belle. Belle Silicon Vertex Detector (SVD2) 4 Lagen, 246 doppelseitige Silizium-Detektoren (DSSDs) 17°…150° Polarwinkel-Abdeckung

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Das "Origami"-Chip-on-Sensor-Konzept für die Auslese eines doppelseitigen Siliziumdetektors

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Presentation Transcript

  1. Das "Origami"-Chip-on-Sensor-Konzept für die Auslese eines doppelseitigen Siliziumdetektors C.Irmler, M.Friedl, M.Pernicka HEPHY Wien

  2. Motivation: Belle • Belle Silicon Vertex Detector (SVD2) • 4 Lagen, 246 doppelseitige Silizium-Detektoren (DSSDs) • 17°…150° Polarwinkel-Abdeckung • Langsame Auslese: ~800ns Peaking Time • Niedrige Energie: möglichst wenig Material im aktiven Bereich! Christian Irmler (HEPHY Wien)

  3. SuperKEK-B Upgrade • Geplant für 2009-2012 • bis zu 30ig-fache Luminosität (5·1035 cm-2 s-1 ) und Triggerrate • Grenzen des SVD2: • Occupancy (derzeit ~10% in der innerste Lage)  erfordert kürzere Shaping Time • Totzeit (derzeit einige %)  schnellere Auslese mit Pipeline • APV25 entspricht den Anforderungen SVD2 Occupancy pro Lage Christian Irmler (HEPHY Wien)

  4. APV25 • Entwickelt für CMS durch IC London und RAL • 40 MHz Taktfrequenz • 128 Kanäle • 192 Zellen tiefe, analoge Pipeline • 50 ns Shaping Time (einstellbar von 30 bis 200 ns) • 0.25 µm CMOS Prozess (>100 MRad strahlungsfest) • Rauschen: 250 e + 36 e/pF • Multi-Peak-Mode (Auslese von mehreren Samples pro Ereignis) Christian Irmler (HEPHY Wien)

  5. Shaping Time und Occupancy } GE- TRIGGERTES TEILCHEN } OFF-TIME-UNTERGRUND TEILCHEN Christian Irmler (HEPHY Wien)

  6. Shaping Time und Rauschen • Leider führt die kürzere Shaping Time zu stärkerem Rauschen • Betrifft den konstanten als auch den kapazitätsabhängigen Anteil: • VA1TA (Tp=800ns): ENC = 180 e + 7.5 e/pF • APV25 (Tp=50ns): ENC = 250 e + 36 e/pF • Der konstante Anteil lässt sich nicht verringern • Minimierung der Kapazität zur Reduktion des linearen Anteils Christian Irmler (HEPHY Wien)

  7. SVD2 Leitern bis zu 3 verbundene Sensoren • Bis zu 3 verbundene Sensoren werden von den Seiten ausgelesen • Minimierung des Materials im aktiven Bereich  Hybride außerhalb • SNR >> 15 mit VA1TA, allerdings << 10 mit APV25 • Verbinden von Sensoren mit dem APV25 nicht möglich! bis zu 3 verbundene Sensoren Christian Irmler (HEPHY Wien)

  8. Auslese von verbundenen Sensoren mit APV25 • Prototyp-Modul mit 2 teilweise verbundene DSSDs • Ergebnisse aus Beam-Test zeigen, dass bereits 2 Sensoren problematisch sind. Christian Irmler (HEPHY Wien)

  9. Abhilfe: Chip-on-Sensor-Konzept • Verdünnte APV25 werden mittels Kapton-Hybrid direkt am Sensor platziert • Kürzestmögliche Verbindung zwischen Sensor und Hybrid (APV) (Darstellung nicht maßstabsgetreu) Christian Irmler (HEPHY Wien)

  10. Flex-Modul • Designstudie mit Chip-on-Sensor-Auslese der n-Seite und konventioneller Auslese der p-Seite • Kohlefaserrohr zur Kühlung (zu massiv) p-Seite: Chip-on-Sensor p-Seite: konventionelles Design Christian Irmler (HEPHY Wien)

  11. Meßergebnisse • Beam-Test-Messungen ergaben sehr gutes SNR für die n-Seite mit Chip-on-Sensor-Hybrid Christian Irmler (HEPHY Wien)

  12. Kühlung • Jeder APV25 erzeugt ~350 mW Verlustleistung • SuperBelle SVD gesamt >1 kW  Kühlung erforderlich • Verschiedene Optionen in einem „Thermo-Kanal“ mit APV-Dummys getestet: • Luft • Wasser • Heat-Pipe • TPG • Beste Effizienz wurde mit Flüssigkeitskühlung erzielt • Paraffin: reduziert die Gefahren durch Undichtheit und Korrosion (derzeit zur Kühlung der Beam Pipe in Belle verwendet) Christian Irmler (HEPHY Wien)

  13. Origami-Konzept • Erweiterung des Chip-on-Sensor-Designs für doppelseitige Auslese • Flexibler Fan-Out wird um die Sensorkante gebogen und verbindet die Streifen der anderen Seite  daher der Name “Origami“ • Alle APVs auf einer Seite in einer Reihe angeordnet  gemeinsame Kühlung Seitenansicht (unten) Christian Irmler (HEPHY Wien)

  14. 3D-Ansicht Christian Irmler (HEPHY Wien)

  15. Material Budget • X0-Vergleich zwischen konventieller Bauart und Chip-on-Sensor: • +50% mehr Material, dafür starke Verbesserung des SNR • Kompromiss zwischen Material und SNR • Simulationen ergaben: • zusätzliches Material ist in den innersten 2 Lagen verboten • kein Problem in den Lagen 3 bis 5 Christian Irmler (HEPHY Wien)

  16. Mögliches Layout des SuperBelle SVD [cm] • Verwendung von 6“ DSSDs (~12.5 cm lang, bis zu ~4 cm breit) • Jeder Sensor wird separat ausgelesen • Randsensoren (grün) wie bisher von der Seite • Sensoren in der Mitte (rot) mittels Chip-on-Sensor-Methode (Lagen 3-5) layers 5 4 3 2 1 [cm] Christian Irmler (HEPHY Wien)

  17. Zusammenfassung & Ausblick • Motiviert durch Belle-Upgrade • APV25-Chip (entwickelt für CMS) geeignet • Stärkeres Rauschen wegen kürzerer Shaping Time • Minimierung der kapazitiven Last  Chip-on-Sensor-Konzept • Funktionalität erfolgreich mittels Flex-Modul demonstriert • “Origami“-Konzept zur doppelseitigen Auslese mit Kühlung • Wir werden in naher Zukunft solch ein Modul bauen Christian Irmler (HEPHY Wien)

  18. Sumurai-Hut zum Üben  Christian Irmler (HEPHY Wien)

  19. BACKUP SLIDES Christian Irmler (HEPHY Wien)

  20. Comparison VA1TA – APV25 VA1TA (Belle SVD2) • Commercial product (IDEAS) • Tp = 800ns (300 ns – 1000 ns) • no pipeline • <10 MHz readout • 20 Mrad radiation tolerance • noise: ENC = 180 e + 7.5 e/pF • time over threshold: ~2000 ns • single sample per trigger APV25 (SuperBelle) • Developed for CMS by IC London and RAL • Tp = 50 ns (30 ns – 200 ns) • 192 cells analog pipeline • 40 MHz readout • >100 Mrad radiation tolerance • noise: ENC = 250 e + 36 e/pF • time over threshold: ~160 ns • multiple samples per trigger possible (Multi-Peak-Mode) Christian Irmler (HEPHY Wien)

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