Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20041 AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS Tracciatore Magnete (Pasquale) Ecal (Marcella)

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1 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20041 AGGIORNAMENTO SULLO STATO DI CMS Tracciatore Magnete (Pasquale) Ecal (Marcella)

2 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20042 Costruzione moduli TIB-TOB-TEC

3 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20043 Produzione dei moduli TIB Moduli costruiti: 726 (20.2%), moduli buoni 699 (resa 96%). Raggiunto il rate di produzione giornaliero previsto di 16 moduli/giorno. Centri Gantry: Bari e Perugia. Centri di test e saldatura: Bari, Catania, Firenze, Padova, Pisa, Torino. Necessario/possibile passare a 24 moduli al giorno per finire alla data prevista. Hamamatsu thin sensors 75% done Hybrid Assembly critical Hybrid Delivery not critical 24/d 16/d

4 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20044 Passare da 16 a 24 moduli al giorno E’ possibile per i centri di bonding e testing. Il collo di bottiglia risultano essere i centri gantry. Sono stati gia’ costruiti i piatti in piu’ necessari. Ogni piatto contiene 4 moduli. Si passerebbe dai 2 piatti al giorno per centro gantry a 3 piatti al giorno per centro. La cosa e’ stata dimostrata sia a Perugia che a Bari ma, come sempre, si e’ sottovalutata la quantita’ di lavoro accessorio che cresce con il numero di moduli prodotti (ispezione ottica degli ibridi, documentazione, inserimento dati nel database, calibrazioni e diagnostica di controllo piu’ frequente ecc). Per mantenere il ritmo di 24 moduli al giorno c’e’ necessita’ di un aiuto straordinario (FAI) per 6 mesi in ciascun centro gantry.

5 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20045 Stato ibridi Riscontrato un difetto importante in una frazione non trascurabile di ibridi. Un “via” che porta 1.25V ai chip e’ difettoso (contatto debole). Effetto: i chip funzionano ma compare una deriva sui piedistalli (rischi a lungo termine ?) La Cicorell ha investigato e corretto il problema: combinazione di una metallizzazione sotto specifica in alcuni particolari batch di produzione e specifiche “al limite” per la foratura laser del via. Cambiate le specifiche di foratura per le nuove produzioni in maniera da rendere il contatto indipendente dalle fluttuazioni di spessore della metallizzazione.

6 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20046 Stato ibridi Messo a punto un test di diagnostica rapida (controllo di stabilita’ del piedistallo sotto forte illuminazione). E sono stati testati tutti gli ibridi attualmente in pipeline (5135). La frazione di ibridi a rischio e’ variabile da batch a batch e da disegno a disegno (erratiche fluttuazioni della metallizzazione). TIB 6/1285 (0.47%) TEC 7/1748 (0.40%) TOB 80/ 2102 (3.8%) Un grosso batch del TOB (1400 ibridi) e’ a rischio e verra’ probabilmente rigettato. La frazione di ibridi TEC e TIB a rischio e’ considerata accettabile. TIB e TEC continuano la produzione dei moduli. TOB e’ in stand-by. Test accurati sugli ibridi “buoni” dei batch difettosi (stress termici ripetuti etc.). Per sicurezza si stanno ritestando anche tutti gli ibridi TIB montati in moduli (700). Ritestati ad oggi circa 300 moduli TIB: zero difetti di via.

7 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20047 Meccanica TIB : 4 cilindri (x2) Layer 4&1 Backward TIB : L1, L2, L3, L4 (F/B). Tutti pronti. Survey effettuato su tutti. Dimensioni entro specifiche. Parte strutturale TIB completata in tempo. Layer 4&3 Forward

8 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20048 Attrezzature per l’inserzione nel TOB Si sta preparando il trial assembly: inserzione del TIB completo nel TOB (giugno) e l’esercizio di cablatura completa di un settore sul mock-up generale del tracciatore (luglio). “cradles”

9 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 20049 Attrezzatura per il trasporto

10 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200410 Integrazione Montare moduli, mother cables, ibridi ottici analogici e DOM su 22 strutture meccaniche (16 semi-gusci e 6 dischi) servite dal sistema di raffreddamento e con gli elementi di precisione integrati.

11 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200411 Ingredienti per l’integrazione Moduli (Catania, Bari, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino) Mother cables ed “interconnect boards” (Bari) CCUM (CERN) AOH (Perugia) DOM (Firenze)

12 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200412 Integrazione meccanica Prototipo Layer#3 pronto per fase di integrazione dei moduli. Planarita’ dei ledge ~54  m. Popolato di moduli Maggio-Giugno

13 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200413 Attrezzature per l’integrazione Estensione per sorreggere provvisoriamente cavi e servizi Semi-guscio Attrezzatura per il montaggio dei moduli

14 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200414 Capita l’origine del CMN Studi fatti su un modulo TEC, ci hanno portato a capire l’origine del CMN che si presenta in una frazione dei moduli TOB prodotti con sensori ST. Il fenomeno e’ stato confermato e verificato dai nostri colleghi USA. Costruito ad UCSB. Ricevuto a Pisa il 14 Marzo. Le indagini sono iniziate il 22 Marzo ed il risultato presentato a CMS il 15 Aprile.

15 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200415 Diagnostica preliminare: test iniziali Noise of strip #96 @ 400V = 60 ADC counts ! Ch 96 noisy already @ 30V; CMN switched on @80V ! Strip #360: normal leaky strip (no CMN). The results reproduce perfectly the data obtained at UCSB. I @ 450 Volt = 13,3  A (1-2  A expected from QTC)

16 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200416 intrinsic micro-discharge due to STM implant technology effect of the leaky strips in-appropriate handling mechanical deformations (vacuum effect) sensitivity to humidity abnormal time structure of the leakage current degradation of the leakage current with time? Most/all explanations were concentrated on some intrinsic weakness of the STM sensors BUT NO CONCLUSIVE EVIDENCE HAS BEEN FOUND SO FAR. Dopo avere dimostrato (febbraio) che la degradazione della corrente di leakage nel tempo compariva essenzialmente soltanto in sensori danneggiati meccanicamente, abbiamo concentrato la nostra attenzione sull’interazione sensore-elettronica. Spiegazioni proposte

17 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200417 R Ipotesi e set-up di misura Usando una resistenza variabile esterna per connettere a massa il bias- ring dei sensori e’ possibile utilizzare la corrente totale per aumentare il potenziale del bias/ring e quindi dell’ impianto. Sono state usate resistenze da100k  a 7M . Il CMN dovrebbe sparire quando viene restaurata la corretta differenza di potenziale fra striscia metallica ed impianto. +0.75V La tensione positiva all’ ingresso dell’ APV puo’ indurre un breakdown precoce in una frazione di strisce compatibile con la frequenza del CMN (10 -4 )

18 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200418 CMN vs V bias @ R= 0M  Strip noisy @ 30V and CMN switched on @ 80V

19 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200419 CMN vs V bias @ R= 5M  Strip noisy @ 350V and NO CMN UP to 500V

20 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200420 IV vs R The most impressive evidence is the strong dependence of the total sensor current from the small potential applied between implant and metal. A factor 7 reduction in the leakage current which is now compatible with QTC data.

21 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200421 Why a so small potential difference can affect the sensors ? Because it affects the field distribution at the edge of the implants. The metal over-hang at a positive potential with respect to the implants favors the breakdown.

22 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200422 Metal over-hang Metal lines 4-8  m wider than the corresponding implant strips (metal over-hang) are adopted to increase the breakdown performance. We expect higher fields at large pitch & small w/p. Over-metal moves the high field region from Si to SiO 2 V brk (Si) = 30 V/  m V brk (SiO 2 ) = 600 V/  m BUT THE METAL SHOULD BE AT THE SAME OR LOWER POTENTIAL WITH RESPECT TO THE IMPLANT OTHERWISE IT COULD BE DANGEROUS

23 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200423 Metal over-hang at positive V 10nA I V 10  A The high density of field lines at the implant edges yields to breakdown. The strip leakage current increases of orders of magnitude. A current of a few  A flowing through the poly resistor (1.5M  ) increases the strip potential to values higher than the metal strip. We jump to the following case.

24 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200424 Metal over-hang at negative V 10nA I V 10  A The density of field lines decreases and the strip exits from breakdown. 10 nA flowing through the poly resistor (1.5M  ) are not able to maintain the implant potential positive with respect to to the metal. We step back to the previous situation.

25 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200425 Huge CMN: intermittent breakdown The previously described mechanism can explain why this “leaky strip” is so different. A “normal” breakdown (10  A through a single strip) is not sufficient to account for these effects (60 ADC rms noise and CMN on the chip). It is not a normal breakdown it is an intermittent phenomenon. To study the time evolution of the process we analyzed the data taken on the module in different conditions..

26 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200426 Data taking in multiframe-mode Huge variations (oscillations) in the noise behavior. Silent periods followed by explosions.

27 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200427 Back bias voltage Q oxide AC pad potentialCase + 500 V 1.0·10 10 charge/cm 2 Ground A + 10 Volts B 1.5·10 11 charge/cm 2 Ground C + 10 Volts D Simulation To understand better the mechanism in our devices, we have asked STM to perform a detailed simulation for OB2 devices (need of using the appropriate doping profiles). The exercise was done for two different oxide charge density (roughly corresponding to Flat Band Voltage of 1V-recent productions- and 5V- old sensors-). Details in Lino’s presentation.

28 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200428 Electric field (detailed view) Case C Case D Q ox =1.5·10 11 charge/cm2 Aluminum Oxide

29 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200429 Electric field across the implant The combined effect of oxide charge density and positive voltage on the metal may account for more than a factor 2 increase of the peak. A few percent increase may account for a small probability effect. Case A Case B Case C Case D E di breakdown

30 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200430 Conferma del fenomeno USA

31 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200431 Conferma del fenomeno USA

32 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200432 Conferma del fenomeno USA

33 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200433 Perche’ non si vede nulla nel test dei sensori? Perche’ I sensori sono testati contattando gli impianti e lasciando il metallo AC floating (stesso potenziale dell’impianto o leggermente inferiore). PROPOSTA DI SELEZIONE DEI SENSORI POTENZIALMENTE RISCHIO DI MOSTRARE QUESTO EFFETTO UNA VOLTA CHE SIANO ACCOPPIATI ALL’ELETTRONICA. Testare gli impianti con le strisce del metallo AC polarizzate ad un potenziale positivo di +5V. La proposta e’ stata adottata ufficialmente dai QTC di CMS dopo che dagli USA e’ venuta la conferma delle nostre ipotesi. STM si e’ dichiarata disponibile ad implementare la stessa procedura nel loro protocollo di test standard ed a consegnarci, dopo la pre- serie, solo sensori che passano la selezione (la frazione “debole” e’ considerata marginale in termini numerici: 2-3%)

34 Guido_Tonelli _Tracker_Week_April_21_ 200434 Stato del contratto ST Consegnata la nuova pre-serie di 1000 sensori. E’ attualmente sottoposta a qualifica (98% yield) E’ stato adottato lo screening proposto:+5V. Verranno costruiti in USA 200 moduli con 400 sensori. Si richiede che il CMN sia presente in una frazione di moduli inferiore al 2%. Se OK il contratto continua (a meno di politica) altrimenti la produzione dei 12.000 sensori spessi previsti in STM passa ad HPK. Decisione il 23 luglio.