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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel1 CPPM ATLAS Pixel upgrade pour HL LHC LPNHE, Paris 10 octobre 2012...

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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 1 CPPM ATLAS Pixel upgrade pour HL LHC LPNHE, Paris 10 octobre 2012 A.Rozanov
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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 1

CPPM ATLAS Pixel upgrade pour HL LHC

LPNHE, Paris10 octobre 2012

A.Rozanov

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IBL construction and installation 2013-2014

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 2

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IBL Stave-0 final qualification• Stave=0 have been thermally qualified and is under Thermal and pressure cycles• Stave TFOM is bellow 17°C cm2/W which is acceptable and within expected values• Power up to 345W on a stave and system permit to maintain the sensor to -15°C which is

a good input to prevent thermal runaway

3Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel

Stave fully loaded with modulesStave fully loaded with modules

A-sideA-side

C-sideC-side

C-C-

sideside

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Cooling line prototyping

• Induction Brazing qualification for Induction Brazing qualification for PP0 joint is ongoing PP0 joint is ongoing Quality still OK, 40 sample brazed and tested: He leaks, visual, thermal shock

• Stave extension tests in October• June 2013: June 2013: 14 staves should be

assembled and and having all components in hand for 14 staves commissioning. Sealing of the IBL volume for cold tests.

PP0 Ti Sleeve PP1 Ti FittingPP1 Electrical Break

Induction Chamber

Brazed joint metallurgicalanalysis

4Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel

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LoI pixel layout

• Layout classique – Cylindres barrel et disques• CS IN2P3 21 Juin 2012• First LoI-phase-II: présentation à AW, Montreux, Octobre 12• Final LoI phase-II: Janvier 2013

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 5

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Inner Pixels

• Option: Two IBL-like barrel layers

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 6

• Tuned to Inner pixels R=4 cm and R=8 cm• Compatible with clamp shell installation• 0.55%X0 Bare stave + 0.03%X0 support = 0.58% X0

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Material per layer

Component IBL-like X0%

Sensor 150um 0.16

FE chip 100um 0.11

Flex 0.19

Cables 0.29

Glue 0.03

IBL like bare stave 0.55

Support 0.03

Total 1.36

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 7

Stave type X0

Current pixel 3.8%

IBL 1.7%

ITK IBL-like 1.36%

ITK I-beam 1.21%

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Inner Pixels Front End

• FE-electronics with classical sensors, two main options: – 65 nm pixel 25x150 µm– 3D 130nm pixel 50x125 µm

• HV CMOS monolithic sensor+electronics 180nm HV2FEI4 ATLAS chip with capacitive coupling to FEI4 subpixel 33x125 µm• More RD on different combinations of HV-HR CMOS, 65 nm, 3D• Test of 65nm chip at CERN PS, excellent results for SEU tolerance, some concern on total dose in shift registers

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 865 nm prototype

65 nm test pixel matrix

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Inner Pixels

• FE-electronics: 3D 130nm pixel 50x125 µm

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 9HV2FEI4 demontrator

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Inner Pixels

•3D FE-electronics: FE-TC4-P1 test chip pixel 50x166 µm show good results

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 10

Digital tier Sthr=174e noise=42e -Analog tier Thr=2200e Sthr=150e noise=46e -

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Inner Pixels

• HV CMOS monolithic sensor+electronics 180nm HV2FEI4 ATLAS chip with capacitive coupling to FEI4 subpixel 33x125 µm

A.Rozanov Montreux 2.10.2012 11Before irradiation HV2FEI4

demonstrator

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HV2FEI4 reached already 375 MRads

• Despite degradations at high temperature (42 degC) chip is working

• Next round of cold tests at CERN PS at -10 deg C• New more Rad Hard chip in November 2012

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 12

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IBL and outer ITK pixels FE-I4

• Test of FE-I4-B SEU - confirms good resistance as expected

• Test of General ADC – works up to 375 Mrads• Test of temperature sensor inside FE-I4-B – calibrate as

a function of the dose

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 13

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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 14

ATLAS pixel upgrade pour HL LHC

• Responsabilités: Positionnement du CPPM• A.Rozanov - chair Joint Pixel-IBL-IB, ITK-SC • A.Rozanov - editor Pixel/Readout ITK LoI Phase-II• E.Vigeolas - responsable stave IBL, SC• E.Vigeolas - ITK local support group, backup document

local support Lol Phase-II• J.C.Clémens - coordination électronique 3D IN2P3• G.Hallewell - coordination group sonar ID• M.Barbero - programme TALENT au CPPM

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CPPM: Management

• Plan de management: Responsabilités• Stave IBL, Local support ITK - E.Vigeolas• Sonar – Cooling - G.Hallewell• Electronique, via last AIDA -J.C. Clémens• FE-I4 - M.Menouni• FE-TC4 - P.Pangaud• 65 nm - M.Menouni• HV-HR CMOS - P.Pangaud

Stave -1 Wire Bonding

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CPPM: Ressources humaines

Tâches Nom Corps Service

3D J.C.Clemens IR Inst

IBL stave, ITK E.Vigeolas IR Mec

Tests FE-I4, TC4, 65nm etc P.Breugnon IR Elec

FE-I4, 65 nm M.Menouni IR Elec

3D,HVCMOS,65nm P.Pangaud IR Elec

HVCMOS, 65 nm S.Godiot IR Elec

FE-I4, C4-P3, 65 nm D.Fougeron IE Elec

FE-I4 , 65 nm F.Gensolen IR Elec

Test 3D, HVCMOS F.Bompard Vitesse Elec

IBL stave, ITK F.Rivière AI Mec

65nm SEU test M.Jevaud IE Elec

Sonar, cooling G.Hallewel IR Inst

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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 17

CPPM: BudgetOrigine Budget

alloué 2012

Dépenses

engagées 2012

Demande

2013

Fonctionnement et petits équipements

IN2P3 2000 1600 12500

Personnel, missions, fonctionnement, ANR

ANR Vitesse

56601 39107 Jan-Dec 2012

17500 Jan-Avr 2013

Frédéric Bompard

25000 via LAL

MPW run

Sous-traitance et matières

IN2P3 57000 11000 Mécanique/Cooling

8900 Electronique

10000 Elec+mécanique CERN

9000 Ti tube Octobre

15000 HV2FEI4-2 Novembre

4000 Carte PCB-HV Octobre

3000 Soudure Ti Oct-Dec

2000 Sonar (CO2) Oct-Dec

115000

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Phase0 en 2013

Assemblage/test IBL 6000

Fonctionnement Pixel+IBL 4000

Upgrade sonar (thermosiphon, FPGA, CO2) 2500

Total 12500

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Mechanique/cooling PhaseI-II en 2013

Proto tubes 7000

Assemblage staves IVW 19000

Test thermique CO2 4000

Total 30000

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RD electronique PhaseI-II en 2013

FE-I4-B Interface USBpix 3000

Chip test FE-I4-C 2x2mm 130nm 14000

PCB FE-I4-C 4000

PC banc de test FE-I4 1500

HVCMOS run AMS 180nm 15000

HVCMOS run GF 130 nm 15000

Flip-chip tests HV2FEI4 5000

PCB et DAQ HVCMOS 2000

PC HVCMOS 1500

Run 65 nm 20000

Licence Cliosoft 2000

PCB 65nm 2000

Total 85000

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 20

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Conclusions

Faits marquants• Grand succès de FE-I4-A/B – le plus grand chip hybride

HEP au monde• Excellente qualité du tier analogique aminci à 10 µm,

cross talks entre deux tiers en électronique 3D • Communication entre tier analogique et digital FE-TC4-

P1 (tous les pixels connectés)• IBL sur le planning accéléré de 2 ans• HV2FEI4 fonctionnel et communique avec FE-I4 • HV2FEI4 détecte des particules sur la sortie ampli même

après 375 MRads

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Spare

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Last qualifications steps

• The final stave design have been thermally qualified and is under Thermal and pressure cycles

• Stave TFOM is bellow 17°C cm2/W which is acceptable and within expected values• Power up to 345W on a stave and system permit to maintain the sensor to -15°C which is

a good input to prevent thermal runaway

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Chip électronique FE-I4• FE-I4 conçu pour l'IBL pour grands taux d'occupation et de résistance aux radiations

– Pixels de 250 * 50 µm– Techno IBM 130 nm, testée jusqu'à 400 MRads

• FE-I4-A – record de taille HEP: 80 columns×336 rows = 26880 pixels/FE, 20x19 mm , 87 M transistors

• FE-I4-B -- retour décembre 2011, premiers tests très positifs-• Contributions design ASIC CPPM:

– Registres de configuration (local et global)– Discriminateur basse consommation– Capteur de température– ADC (lecture alims, courant de fuite, température etc)– Multiplexeur analogique– Buffers de lecture des signaux analogiques– Générateur de calibration– Amplificateur opérationnel multi-usage

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Cooperation IN2P3:Daniel Dzahini (Grenoble)Renaud Gaglione

(Annecy)Julien Fleury (LAL)

CPPM

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FE électronique FE-I4

• Caractérisation et test SEU des registres avec le faisceau de protons PS CERN 5.5 1011 protons/spill

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Mémoire SEU CPPM

CPPM

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Test of first 3D wafers Two wafers de 3D assemblies arrived CPPM September 2011. Third wafer was diced into chips. Problems with uniformity of the thinning of the upper tier: 15-20% of the wafer surface is defective. Measurements of the resistance of daisy chains and power pads have shown the short circuits between copper surface contacts between two tiers. Few chips without shorts selected. They works, but no communication between tiers established. Problem identified by Tezzaron to be bad wafer alignment at new production facility at Tempe(AZ). The same alignment problem probably creates weak adhesion and non-uniformities during thinning. Next batch of wafers will bonds at facility at Austria in November 2011 with final delivery in spring 2012.

26Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel

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Performance of analog tier from 3D wafer with 10 µm thickness

Excellent performance of the analog tier with 10 µm thickness.

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FE-TC4-DS simple digital tier

Digital input (test) or Tier1 output Read-out shift

register (1b)

11 “DRUM” cells(noise generator) “DRUM” cell structure:

• 5 columns without any shielding (reference),• 4 columns with shielding in metal 5,• 2 columns with shielding in metal 3,• 2 columns with both shielding.

Tested at CPPM lab

Test Shielding strategy :

Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel

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Mapping of threshold no DRUM activated

Mapping of noise no DRUM activated

Mapping of threshold with DRUM activated

Mapping of noise with DRUM activated

DRUM A

CTIVATED

No DRUM

ACTIV

ATED

Noise and threshold maps after DRUM activated

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Paris-LPNHE 10.10.12 ATLAS pixel 30

CPPM: Management

• Plan de management: Organigramme projet labo– Responsabilités

CPPM ATLAS Pixel UpgradeCPPM ATLAS Pixel Upgrade

Mécanique-RefroidissementMécanique-Refroidissement ElectroniqueElectronique

Stave IBL

Stave IBL

ITK support

ITK support

Sonar CoolingSonar

Cooling FE-I4FE-I4 3D3D 65 nm65 nm HV–HR CMOSHV–HR CMOS

A-BA-B CC

GF Tezzaron

GF Tezzaron AMS

180nmAMS

180nmGF

130nmGF

130nmvialastvialast


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