402.02.03.05 Module Assembly Extrapolating Experience from Phase 1 - - PowerPoint PPT Presentation

▶
402 02 03 05 module assembly extrapolating experience
SMART_READER_LITE
LIVE PREVIEW

402.02.03.05 Module Assembly Extrapolating Experience from Phase 1 - - PowerPoint PPT Presentation

Feb 24, 2023 142 likes •534 views

402.02.03.05 Module Assembly Extrapolating Experience from Phase 1 Upgrade Matthew Jones, Purdue University February 2-3, 2016 February 2-3, 2016 M. Jones - 402.02.03.05 1 Outline Phase

slide-1
SLIDE 1

402.02.03.05 Module Assembly – Extrapolating Experience from Phase 1 Upgrade

Matthew Jones, Purdue University February 2-3, 2016

1 ¡

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-2
SLIDE 2

§ Phase 1 Module Overview § Module Assembly Process § Lessons from Pre-production Module Assembly § Conceptual Phase 2 Module Construction § Suggested Design Constraints § Summary

2 ¡

Outline

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-3
SLIDE 3

3 ¡

Phase 1 Module Overview

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

ROC HDI Wirebond Bump-bonds Sensor

Module ¡end ¡holder ¡ (with ¡thru ¡hole ¡for ¡ #00 ¡or ¡M1.2 ¡screw) ¡ FPIX ¡sensor ¡ Flat ¡flex ¡cable, ¡75 ¡cm ¡length ¡ (short ¡“connector ¡saver” ¡pigtail ¡flex ¡will ¡ be ¡used ¡for ¡tesOng ¡during ¡assembly) ¡ HDI ¡ 2x8 ¡ROCs ¡ TBM ¡ ZIF ¡Connector ¡ Module ¡address ¡seYng ¡

ROC Bump-bonds Sensor HDI

slide-4
SLIDE 4

§ Bump bonding performed by external vendor (RTI)

§ UBM deposition, solder bumping § ROC thinning § Flip-chip assembly and Pb-Sn reflow § Process developed over 10 years ago, used reliably since then

§ Bump bonded modules shipped directly to assembly sites

4 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

ROC Bump-bonds Sensor

§ Sensors produced and tested by Sintef § PSI46dig ROC’s fabricated in 250 nm by IBM

slide-5
SLIDE 5

§ High Density Interconnect

§ PCB manufactured by outside vendor § Design qualified to withstand bias voltage § Vendor performs electrical tests § Additional inspection and testing performed when received

  • Pad and trace widths
  • Metal thickness, surface quality
  • Wire bondability

§ Assembly of components (Fermilab)

  • Surface mount components
  • Placement and wire bonding of TBM
  • Assembly of mechanical interfaces (end holders)
  • Electrical tests

5 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-6
SLIDE 6

§ Module inspection under microscope

§ Last chance to observe and document anomalies before assembly

§ Re-inspection of HDI

§ Check metal on pads § Check for non-flatness

§ Re-measure bare module IV

§ IV measured again after assembly § Needed to qualify assembly process

6 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

? ¡

WL_BB_044 ¡

slide-7
SLIDE 7

§ Assembly process:

§ Deposit epoxy on sensor (Araldite 2011) § Precisely position HDI on sensor, hold in place while epoxy cures § Form wire bonds between ROC’s and HDI § Encapsulate wire bonds § Thermal cycles, electrical tests

§ Two construction sites: Purdue and Nebraska

§ Substantially similar assembly process at both sites

7 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

ROC HDI Wirebond Bump-bonds Sensor HDI ROC Bump-bonds Sensor

slide-8
SLIDE 8

§ Automatic robotic assembly under manual supervision § Simplifies training, reduces reliance on highly skilled technicians § Well suited for a small pool of undergraduate labor (3-4 students)

8 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-9
SLIDE 9

§ All assembly work performed on robotic gantry

§ Aerotech AGS10000 gantry, <10 µm precision

§ Custom tooling holds parts using vacuum during assembly:

9 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

glue ¡ reservoir ¡ bridge ¡

slide-10
SLIDE 10

§ Alignment of pads on ROC’s and HDI for wire bonding § Semi-automated assembly process:

§ Position sensor module, ROC side down on one fixture § Position HDI, component side up, on a second fixture § Acquire fiducials on sensor module and HDI § Mix Araldite 2011 epoxy and spread in glue reservoir § Pick up stamp tool, coat with epoxy from reservoir § Stamp epoxy onto sensor side of bare module

10 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-11
SLIDE 11

§ Semi-automated assembly process:

§ Pick up HDI using bridge tool and place on sensor § Transfer vacuum to bridge, rubber gasket applies force while epoxy cures (12 hours at room temperature) § Post-curing alignment check <50 µm § Glued module placed on module carrier, where it will remain.

11 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-12
SLIDE 12

§ Semi-automated process

§ F&K Delvotek 6400 wire bonder § Pattern recognition software determines bond pad locations § Automatic bonding using predetermined parameters § Bond quality monitored by

  • nline graphs of bond

deformation vs time § Bond ROCs 0..7, then flip module carrier to bond ROCs 8..15. § Less than one hour per module when all goes as planned.

12 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

ROC HDI Wirebond Bump-bonds Sensor

slide-13
SLIDE 13

§ Modules are tested before wire bonds are encapsulated.

§ Flex cable attached to ZIF connector – remains attached for all subsequent tests. § Tests based on PSI digital test board and associated software. § Test results are recorded in a database

13 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

§ Mainly looking for problems that can be fixed before encapsulation. § Such problems turn

  • ut to be rather

uncommon.

slide-14
SLIDE 14

§ Wire bonds are encapsulated for environmental and mechanical protection

§ Sylgard 186 silicone based elastomer

  • Transparent and relative re-workable

§ Encapsulating fixtures hold module carriers – separate work area from assembly fixtures. § Dispense onto bond feet only using robotic gantry and dispensing syringe + pressure multiplier.

  • Acquire fiducials, measure needle tip height using optics
  • Dispense lines of encapsulant onto ends of bond feet on both ROC

and HDI sides

  • Volume of encapsulant and alignment is critical: avoid wicking into

region between sensor and ROC

§ Also encapsulate wire bonds on TBM § Cures in an oven at 50 deg. C for 2-3 hours

14 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-15
SLIDE 15

§ Thermally cycle unpowered modules after encapsulation

§ Induces mechanical stress § 10 cycles from -30 to +50 C with 10 minute dwell times at each extreme § Chamber is purged with dry air throughout cycles § Primarily useful for qualifying the design – not necessary for production.

§ Time schedule

§ Can cycle 10+ modules at once § Cycles take ~12 hours

15 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-16
SLIDE 16

§ Modules are shipped to other sites for testing and integration

§ X-ray testing at UIC and KU § Further testing, grading, and integration at Fermilab

§ Packaging

§ Modules encased in heat-sealed, static dissipative polyethylene tubing with a silica gel desiccant § Sealed modules placed into foam- lined box for transport § Use FedEx ground to ship and track modules

16 ¡

Phase 1 Module Assembly

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-17
SLIDE 17

§ Cost of operating a production site is dominated by staffing requirements § Technical staff needed for module production:

§ 1 senior engineer/technician § 2 wire bonder technicians (part time/hourly) § 2-4 undergraduates (hourly) § One postdoc (base funding) § One graduate student (base funding)

§ The robotic assembly process eliminates the need for multiple positions filled by highly skilled technical staff.

§ Unlike the model used for construction of the first FPix detector § Delays in delivery of parts led to frequent underutilization of staff

17 ¡

Phase 1 Module Assembly Staffing

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-18
SLIDE 18

§ Examples of problems:

§ Sensor bias voltage in close proximity to ground vias

  • Add additional layer of polyimide to HDI

§ Lack of representative parts with which to qualify wire bonding parameters

  • Partly due to unanticipated variability in quality of HDI’s
  • Difficulties wire-bonding pre-production modules

§ Several critical tolerances needed for reliable assembly

  • End-holder assembly procedure impacts the ability to pick up the HDI in

later steps

  • Over-thinned ROC’s change height of bare module on assembly fixture

– necessary to add custom shims to correct

  • Minor changes in component placement required changes in tooling
  • Epoxy coverage under wire bond pads critical for reliable wire bonding

§ General issues:

§ The design did not cleanly factor into independent, unrelated steps. § Future module designs may benefit from conscious effort to partition critical steps… § Desireable, but this may not always be possible.

18 ¡

Lessons Learned from Phase 1 Production

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-19
SLIDE 19

§ Assuming a Phase 2 module is an evolution of the Phase 1 module, we need to specify designs for:

§ Sensor + ROC’s

  • Size, pitch or channel count need not specified at this point
  • Most critical factor may be power dissipated by the ROC

§ High Density Interconnect

  • Necessary to provide power, signal routing
  • May require additional ASIC’s (eg, may require a TBM)

§ Flex cable

  • Defines electrical interface to the rest of the detector
  • Number of conductors to be determined

§ End holders

  • Define mechanical alignment with the rest of the detector

§ An entirely different geometry may require the development of significantly different tooling.

19 ¡

Conceptual Phase 2 Module Construction

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-20
SLIDE 20

§ Mechanical constraints

§ Rapid progress developing the necessary tooling is possible using mechanical grade prototypes

  • Wire bondable aluminum on glass/SiO2

§ For this to be useful, the mechanical constraints need to be well defined, both for the developers of an HDI and for the assembly sites.

20 ¡

Suggested Design Constraints

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-21
SLIDE 21

§ Electrical constraints

§ The existing DTB design might accommodate arbitrary hardware via a new adapter board § A well-specified electrical interface can be emulated on one DTB and read out on a second DTB. § Avoid delays in firmware development needed for testing single-chips and complete modules § Must be able to track the quality of assembled devices to qualify the assembly process § In principle, much of the logic would not depend on the specific hardware implementation

  • Could be common to CAPTAN or next generation equivalent for

integration with the FTBF DAQ systems

21 ¡

Suggested Design Constraints

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-22
SLIDE 22

2016 ¡ 2017 ¡ 2018 ¡ 2019 ¡ 2020 ¡ 2021 ¡ 2022 ¡ 2023 ¡ 2024 ¡

Flex ¡circuit/HDI ¡

PreproducOon ¡[402.02.03.05.01] ¡ ProducOon ¡[402.02.03.05.02] ¡

Module ¡producOon ¡

faciliOes ¡[402.02.03.05.04] ¡

Module ¡assembly ¡

PreproducOon ¡[402.02.03.05.05] ¡ ProducOon ¡[402.02.03.05.06] ¡

Module ¡tesOng ¡

Setup ¡[402.02.03.10.01] ¡ TesOng ¡[402.02.03.10.02] ¡ 22 ¡

Baseline Schedule/Cost – BOE from Phase 1

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-23
SLIDE 23

Summary

23 ¡

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-24
SLIDE 24

§ A reliable process was developed for the assembly

  • f Phase 1 FPix modules

§ Assembly of 6 modules per day per construction site has been demonstrated. § Relatively easy to imagine a similar assembly flow for a Phase 2 module with roughly the same mechanical design

§ Novel mechanical designs would require longer development time for developing and commissioning new tooling and processes

§ Different module construction needs to be motivated by improved physics performance § Experience developing new processes using mechanical grade components

24 ¡

Summary

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-25
SLIDE 25

Backup Material

25 ¡

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡

slide-26
SLIDE 26

26 ¡

Top-­‑down ¡ exploded ¡view ¡

slide-27
SLIDE 27

27 ¡

Bobom-­‑up ¡ exploded ¡view ¡

slide-28
SLIDE 28

28 ¡

HDI ¡pick-­‑up ¡tool ¡with ¡ sucOon ¡cups ¡ HDI ¡pick-­‑up ¡tool ¡with ¡ sucOon ¡cups ¡liding ¡HDI ¡+ ¡ module ¡end ¡holders ¡

slide-29
SLIDE 29

29 ¡

Assembly ¡Flow ¡ Baseplate ¡with ¡vacuum ¡chucks ¡for ¡parts ¡(mounted ¡

  • n ¡1” ¡standoffs ¡on ¡gantry ¡tabletop) ¡
slide-30
SLIDE 30

30 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Place ¡BBM ¡and ¡HDI ¡by ¡hand ¡on ¡vacuum ¡chucks ¡

slide-31
SLIDE 31

31 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Place ¡bridge ¡tool ¡over ¡HDI ¡by ¡hand, ¡ aligned ¡using ¡guide ¡pins ¡in ¡baseplate ¡

slide-32
SLIDE 32

32 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Vacuum ¡spreader ¡brought ¡down ¡by ¡gantry ¡head, ¡turn ¡on ¡vacuum ¡to ¡ spreader ¡tool, ¡turn ¡off ¡vacuum ¡to ¡HDI ¡chuck ¡on ¡baseplate ¡

slide-33
SLIDE 33

33 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Lid ¡vacuum ¡spreader, ¡ bridge ¡tool ¡and ¡HDI ¡ with ¡gantry ¡

slide-34
SLIDE 34

34 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Place ¡tools ¡with ¡HDI ¡on ¡BBM ¡with ¡gantry, ¡turn ¡on ¡vacuum ¡to ¡bridge ¡tool ¡feet ¡

  • n ¡baseplate, ¡turn ¡off ¡vacuum ¡to ¡spreader ¡tool ¡
slide-35
SLIDE 35

35 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Lid ¡vacuum ¡spreader ¡with ¡gantry ¡from ¡ bridge ¡tool ¡

slide-36
SLIDE 36

36 ¡

Assembly ¡Flow ¡(con’t) ¡ Remove ¡bridge ¡tool ¡ader ¡epoxy ¡cures ¡

slide-37
SLIDE 37

Module Production at Nebraska

slide-38
SLIDE 38

38 ¡

Module Production at Nebraska

  • M. ¡Jones ¡-­‑ ¡402.02.03.05 ¡

February ¡2-­‑3, ¡2016 ¡