Development of the silicon microstrip super- module prototype - - PowerPoint PPT Presentation

Development ¡of ¡the ¡silicon ¡microstrip ¡super-­‑ module ¡prototype ¡for ¡the ¡HL-­‑LHC ¡

University of Geneva: G. Barbier, F. Cadoux, A. Clark, Y. Favre, D. Ferrère, S. Gonzalez- Sevilla*,

• G. Iacoubucci, D. la Marra, M. Pohl, M. Weber

KEK: Y. Ikegami, Y. Takubo*. S. Terada, Y. Unno University of Tsukuba: K. Hara Osaka University: M. Endo, K. Hanagaki (* see other talks by S. Gonzalez-Sevilla, Y. Takubo)

Outline:

• 1. Background: HL-LHC and resulting tracking detector upgrades
• 2. A proposed silicon microstrip implementation for HL-LHC: module and

super-module design features

• 3. Where are we?
• 4. Future design evolution
• 5. Feasibility for large-scale construction

8th ¡"Hiroshima" ¡Symposium ¡on ¡Development ¡and ¡Applica2on ¡of ¡Semiconductor ¡ ¡ Tracking ¡Detectors ¡(HSTD-­‑8), ¡ Taipei, ¡Taiwan, ¡December ¡3-­‑8, ¡2011 ¡

2 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Machine ¡and ¡Detectors ¡at ¡HL-­‑LHC ¡

2011 2011 2012 2012 2012 2012 2013 2013 2014 2014 2015 2015 2016 2016 2017 2017 2018 2018 2019 2019 2020 2020 2021 2021 2022 2022

2011 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡√s=7 ¡TeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lpeak ¡~ ¡3.65 ¡x ¡1033 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡Lint ¡~ ¡5 ¡K-­‑1 ¡ 2012 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡√s=8 ¡TeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lpeak ¡~ ¡5 ¡x ¡1033 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ ¡ ¡ ¡ 2014 ¡-­‑ ¡16 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡√s=14 ¡TeV ¡ ¡ ¡ ¡Lpeak ¡> ¡5 ¡x ¡1033 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ ¡ 2018 ¡-­‑ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lpeak ¡~ ¡2-­‑3 ¡x ¡1034 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡Lint ¡~ ¡300 ¡-­‑ ¡400 ¡K-­‑1 ¡

¡

> ¡2022 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lpeak ¡~ ¡5 ¡x ¡1034 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡Lint ¡~ ¡3000 ¡K-­‑1 ¡(luminosity ¡levelling) ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡ ¡ ¡25 ¡nsec ¡bunch ¡spacing ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡ ¡ ¡ ¡Tracking ¡performance ¡should ¡be ¡maintained ¡with ¡up ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡~200 ¡collisions ¡per ¡bunch ¡crossing ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡

3 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

ATLAS ¡– ¡Example ¡of ¡20 ¡pile-­‑up ¡events ¡

……. ¡and ¡imagine ¡10 ¡2mes ¡the ¡number ¡of ¡primary ¡ver2ces ¡……. ¡

Z ¡à ¡µ+µ– ¡

4 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

ATLAS ¡Benchmark ¡layout ¡and ¡performance ¡requirements ¡(1) ¡

4 ¡pixel ¡layers/disks: ¡ ¡nominal ¡50 ¡x ¡250 ¡µm2 ¡

¡

3 ¡inner ¡short-­‑strip ¡layers: ¡nominal ¡80 ¡x ¡2400 ¡µm2, ¡stereo ¡space ¡points ¡40 ¡mrad ¡ 2 ¡outer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡80 ¡x ¡9600 ¡µm2, ¡stereo ¡space ¡points ¡40 ¡mrad ¡ This ¡talk ¡

5 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

ATLAS ¡Benchmark ¡layout ¡and ¡performance ¡requirements ¡(2) ¡

From ¡I. ¡Dawson ¡et ¡al., ¡FLUKA ¡calculaFons, ¡ ¡ ATLAS ¡benchmark ¡layout, ¡ ¡

R ¡= ¡30 ¡mm ¡à ¡integrated ¡fluence ¡> ¡1015 ¡neq ¡cm-­‑2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡for ¡Lint= ¡3000 ¡Y-­‑1 ¡ ¡ ¡ ¡

¡

Silicon ¡strip ¡modules ¡must ¡retain ¡noise ¡occupancy ¡ specifica2ons ¡a[er ¡Lint= ¡3000 ¡Y-­‑1 ¡ ¡ (factor ¡10 ¡more ¡than ¡expected ¡life2me ¡of ¡exis2ng ¡ ¡silicon ¡micro-­‑strip ¡detector) ¡ Key ¡aims ¡of ¡the ¡present ¡R&D: ¡(one ¡of ¡two ¡ongoing ¡module/support ¡R&D ¡efforts) ¡ ¡ – ¡compa2ble ¡with ¡performance ¡specifica2ons ¡of ¡exis2ng ¡tracker ¡in ¡high ¡pileup ¡

• ¡full ¡coverage ¡|η| ¡< ¡2.5 ¡
• stringent ¡d0, ¡z0sinθ, ¡ΔpT/pT

2 ¡requirements, ¡including ¡in ¡boosted ¡jets ¡

– ¡minimize ¡module ¡and ¡service ¡material ¡(services ¡dominant) ¡ ¡ § ¡aim ¡for ¡< ¡2.5% ¡X0 ¡per ¡layer ¡at ¡|η| ¡= ¡0 ¡ – ¡ ¡long-­‑term ¡stability ¡(few ¡µm) ¡for ¡constant ¡thermal ¡status, ¡independent ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡read-­‑out ¡status, ¡individual ¡module ¡status ¡etc ¡

• minimize ¡effect ¡of ¡thermal ¡mismatches ¡
• ability ¡to ¡use ¡track ¡alignment ¡with ¡minimal ¡higher ¡mode ¡ambigui2es ¡

– ¡ ¡modularity ¡of ¡components ¡for ¡buildability: ¡(evolu2on ¡of ¡what ¡learned ¡on ¡SCT) ¡

Features:

• Detectors are mounted back-to-back, true stereo reconstruction (400 µm sensor separation)

à Space point determined by the module assembly with the precision of the jigs (can reach ~1-2 µm) à Sensor 96 x 96 mm2, (short) strips 24 x 0.08 mm2, (long) strips 96 x 0.08 mm2

• Precise module location on a local structure

à Thanks to centering bushes: origin + alignment

• Bridge hybrid allows FE thermal path different from Si (stabilty consequences)

NB: Direct mounting saves material and no show stopper in term of thermal performance

• Low CTE material and good thermal conductivity: Si, TPG, CC, AlN

à Max Z deformation 1.4µm @ -35°C

• Hybrid pigtails + connector for electrical connections (option)

à Modularity and flexibility

• Module assembly known and simplified in terms of procedure and QA: Inherited from SCT barrel

Prototype Module Design

6 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Module Assembly Parts – low material budget

TPG ¡and ¡Ceramic ¡facings ¡ Sensor ¡to ¡baseboard ¡assembly ¡ Populated ¡hybrid ¡with ¡CC ¡bridge ¡

7 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Module ¡thermal ¡FEA ¡with ¡and ¡without ¡CC ¡bridge ¡

Recent ¡FEA ¡calcula]ons ¡by ¡F. ¡Cadoux ¡

Hybrid ¡glued ¡on ¡the ¡Si-­‑sensor ¡ CO2 ¡based ¡

• ­‑35°C ¡as ¡coolant ¡temp. ¡

2mm ¡ID ¡pipe ¡ Chip: ¡0,3W ¡ Sensor ¡temperature ¡ [-­‑19, ¡-­‑22 ¡°C] ¡ No ¡wire ¡bonds ¡connected ¡here… ¡ Bridge ¡hybrids ¡ Sensor ¡temperature ¡ [-­‑22, ¡-­‑24 ¡°C] ¡ Some ¡gap ¡in ¡here… ¡

Temperature offset and distribution is slightly larger but acceptable as compared with the bridged FEA Recall: Thermal run-away was found to be around a factor 4 to the LHC Si power density for bridged design

8 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Module ¡Electrical ¡Performance ¡ ¡

Modules ¡constructed ¡

9 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Modules ¡made ¡at ¡KEK ¡ Addi2onal ¡modules ¡are ¡under ¡ industrializa2on ¡process ¡with ¡ ¡ Japanese ¡companies ¡

Col ¡ 0 ¡ Col ¡1 ¡ Col ¡0 ¡ Col ¡1 ¡

Typical ¡noise ¡results ¡from ¡the ¡4 ¡module ¡test ¡box ¡ 564 ¡to ¡590e-­‑ ¡ Iden2cal ¡noise ¡inside ¡a ¡ single ¡module ¡test ¡box ¡

• r ¡when ¡combined ¡in ¡

the ¡4 ¡module ¡test ¡box ¡ ¡ ¡ Posi2ve ¡ini2al ¡results ¡ following ¡irradia2on ¡ (both ¡R&D ¡efforts) ¡

10 ¡

Hybrid ¡0 ¡ Hybrid ¡1 ¡

Module ¡Electrical ¡Performance ¡ ¡

Module ¡Performance ¡– ¡see ¡talk ¡of ¡S. ¡Gonzalez-­‑SEvilla ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Super-­‑module ¡Design ¡Features ¡

Super-­‑Module ¡ Made ¡of ¡12 ¡double-­‑sided ¡modules ¡assembled ¡on ¡a ¡local ¡support ¡ Coolant tube structure Hybrids & FE ABCN Local Support 1.2 ¡m ¡long ¡with ¡960 ¡ABCN ¡readout ¡chips ¡

• Modular concept. All parts decoupled from module design and are modular:
• cooling, local support, service bus, powering units, SMC
• during prototyping, flexibility of evolution: electronics, service bus, cooling, mechanics versions
• parallel assembly at all stages: component prototyping & procurement, fabrication & QA
• Allows full module coverage in Z
• Space points: distance to the stereo side of 400 microns: space point resolution equivalent to SCT
• Rework : ability to easily rework up to the commissioning after integration
• End-insertion: >1m20 stiff Local Support allows simple support structure and service modularity
• Low thermo-mechanical stresses:.service bus almost free, cooling pipe uses sliding joins.

Super-Module Controller Bus cable

11 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

¡ ¡

CAD ¡view ¡of ¡the ¡SM2.0 ¡(Modules ¡have ¡been ¡removed ¡for ¡clarity) ¡

Cross ¡beam ¡ (or ¡« ¡wings ¡») ¡ Cooling ¡Plates ¡x6 ¡ (prototyped ¡in ¡ ¡ ¡aluminum… ¡ CC2D ¡at ¡the ¡end) ¡ Central ¡pipe ¡in ¡T300 ¡ (key ¡part!) ¡ Every ¡sub ¡part ¡assembled ¡with ¡DP490 ¡glue ¡ (with ¡jig ¡and ¡centering ¡pieces) ¡ Cooling ¡pipe ¡ ¡ Cover ¡(T300) ¡ Cross ¡beam ¡x7 ¡ ¡ (in ¡T300 ¡prepreg) ¡ Guiding ¡pipe ¡ (T300) ¡ Joint ¡pieces ¡in ¡plas2c ¡ (polycarbonate ¡for ¡proto) ¡ Modules ¡ (TPG, ¡Si, ¡Hybrid,…) ¡

Super-­‑module ¡Mechanical ¡Structure ¡Design ¡

12 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

End ¡Inser]on ¡also ¡developed ¡for ¡“stave” ¡concept ¡ Guide ¡rail ¡ The ¡SM ¡slides ¡w/o ¡stress ¡into ¡the ¡ structure ¡(locking ¡in ¡3 ¡posi2ons) ¡ End ¡Inser]on ¡using ¡a ¡ ¡ Removable ¡inner ¡guide ¡rail ¡ Safe ¡handling ¡

Super-­‑module ¡Mechanical ¡Structure ¡Design ¡

13 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

End ¡Inser]on ¡as ¡a ¡reminder ¡

Super-module Mechanical Prototype

Light ¡CFRP ¡local ¡support ¡structure ¡ ¡(UniGe ¡– ¡Composite ¡Design) ¡ Total ¡support ¡0.18 ¡X0 ¡ Easy ¡handling… ¡ Module ¡+ ¡Cooling ¡plate ¡and ¡ ¡loop ¡independent ¡from ¡LS ¡ Concept ¡validated ¡with ¡end-­‑ inser2on ¡interfacing ¡ ¡dummy ¡ barrel ¡locking ¡system ¡

14 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

FEA’s ¡outcome ¡on ¡a ¡1200mm ¡SM ¡ Load case Deflection (micron) Max Stress (Mpa) 16° 77 11 Vertical 80 12 Horizontal 11 10 Eigenvalue f1: 57 hz

• 1G ¡

Carbon ¡fiber ¡ ¡ Layup ¡(M55J) ¡ Module ¡material ¡ ¡ assembly ¡

Modal shape

Super-module Load Tests and FEA

15 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Major ¡load ¡and ¡distor2on ¡measurements ¡ underway ¡to ¡compare/input ¡in ¡FEA, ¡and ¡aid ¡ next ¡design ¡itera2on ¡ ¡ ¡Results ¡very ¡posi2ve ¡

Grease Sample

• Th. Cond. [W/mK]

Comments DC340 0.7 Used on SCT DC340 irradiated 0.8 Polymerized @ 1.1015 1Mev neq/cm2 WLPG 1.2 Colza oil with graphite. Leaking oil… WLPG irradiated 1.05 Pasty but ok after irradiation WLPF 0.5 Non-silicone + metal oxyde Electrolube HTCP 1.5 Non-silicone + Zinc oxyde

Measurements ¡of ¡thermal ¡conduc2vity ¡ cross-­‑checked ¡with ¡FEA ¡(K. ¡Streit) ¡

16 ¡ Focus – IBL baseline

Cooling and Mechanical Performance

F ¡ F ¡

• ¡2.3mm ¡OD ¡Ti-­‑pipe ¡with ¡~50-­‑70 ¡micron ¡
• ¡Grease ¡area ¡~70mm2 ¡per ¡pipe ¡
• Irradiated ¡at ¡1x1015 ¡1MeV ¡neq/cm2 ¡
• Thermal ¡conducFvity ¡saFsfactory ¡
• Young ¡Modulus ¡increases ¡from ¡~40 ¡Mpa ¡to ¡160 ¡Mpa ¡
• Very ¡posi=ve ¡result, ¡being ¡input ¡into ¡FEA ¡calcula=ons ¡ ¡

Samples ¡of ¡HTCP ¡irradiated ¡up ¡to ¡1.2x1016 ¡1MeV ¡neq/cm2 ¡for ¡IBL ¡ Samples ¡drying ¡and ¡dryer ¡but ¡OK ¡with ¡SCT ¡fluences ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Grease Sample

• Th. Cond. [W/mK]

Comments DC340 0.7 Used on SCT DC340 irradiated 0.8 Polymerized @ 1.1015 1Mev neq/cm2 WLPG 1.2 Colza oil with graphite. Leaking oil… WLPG irradiated 1.05 Pasty but ok after irradiation WLPF 0.5 Non-silicone + metal oxyde Electrolube HTCP 1.5 Non-silicone + Zinc oxyde

Measurements ¡of ¡thermal ¡conduc2vity ¡ cross-­‑checked ¡with ¡FEA ¡(K. ¡Streit) ¡

17 ¡ Focus – IBL baseline

Cooling and Mechanical Performance

F ¡ F ¡

Samples ¡of ¡HTCP ¡irradiated ¡up ¡to ¡1.2x1016 ¡1MeV ¡neq/cm2 ¡for ¡IBL ¡ Samples ¡drying ¡and ¡dryer ¡but ¡OK ¡with ¡SCT ¡fluences ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Super-­‑module ¡Electrical ¡Prototype ¡

Module ¡ ¡support ¡jig ¡ Module ¡removed ¡from ¡4 ¡Module ¡Box ¡ 1st ¡module ¡mounted ¡on ¡the ¡structure ¡ 4 ¡mounted ¡modules ¡ Modules ¡with ¡wiggly ¡service ¡buses, ¡BCC ¡boards ¡and ¡DC-­‑DC ¡

18 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

19 ¡

Aim: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡study ¡of ¡8-­‑module ¡readout ¡ Status: ¡4 ¡modules ¡so ¡far ¡read ¡out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡successfully ¡ ¡ ¡

Hybrid ¡noise ¡versus ¡ ¡col ¡ Hybrid ¡noise ¡versus ¡ ¡ chip ¡id ¡

Noise ¡is ¡uniform ¡ ENC/hybrid ¡< ¡~ ¡600e-­‑ ¡ ¡

See ¡talk ¡of ¡Sergio ¡Gonzalez–Sevilla ¡

Super-­‑module ¡Electrical ¡Prototype ¡Performance ¡

• S. ¡Gonzalez ¡Sevilla, ¡Y. ¡Takubo) ¡+ ¡

collabora]on ¡for ¡r/o ¡between ¡“supermodule” ¡and ¡“stave” ¡R&D ¡projects ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

20 ¡

Next ¡Steps ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Status: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Close ¡to ¡demonstra2ng ¡feasibility ¡and ¡prac2cability ¡of ¡super ¡module ¡solu2on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡for ¡ATLAS ¡Phase ¡II ¡tracking ¡detector ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Will ¡allow ¡technical ¡comparison ¡with ¡compeFng ¡R&D ¡implementaFons ¡ ¡ Evolu2on: ¡Evolu2on ¡of ¡sensor ¡design ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Development ¡of ¡front-­‑end ¡electronics ¡(ABCN ¡130 ¡nm ¡design) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Evolu2on ¡and ¡implementa2on ¡of ¡read-­‑out ¡architecture ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Members ¡of ¡Super ¡Module ¡R&D ¡involved ¡in ¡all ¡these ¡developments ¡ ¡ Next ¡steps: ¡2012: ¡ ¡ ¡Thermal ¡and ¡electrical ¡measurements ¡on ¡2nd ¡itera2on ¡ ¡LS ¡with ¡modules ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡and ¡dummy ¡thermal ¡modules ¡(CO2 ¡cooling) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡ ¡2nd ¡itera2on ¡module ¡design ¡studies ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡2013: ¡ ¡ ¡Development ¡of ¡producFon-­‑like ¡LS ¡and ¡module ¡prototypes ¡op2mized ¡for ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡material, ¡electrical ¡(ABCN ¡130) ¡and ¡thermo-­‑mechanical ¡performance ¡a[er ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡irradia2on, ¡and ¡construc2on ¡simplicity ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡issues: ¡ ¡adapt ¡to ¡evolu2ons ¡of ¡the ¡layout ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡op2miza2on ¡of ¡the ¡service ¡bus ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡LV ¡services ¡(DC-­‑DC ¡or ¡SP ¡powering) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡HV ¡services ¡(4 ¡module ¡per ¡HV ¡line?, ¡1 ¡HV ¡line ¡per ¡LS?) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡tradeoff ¡between ¡performance ¡(material, ¡noise ¡pickup) ¡and ¡robustness ¡ ¡ ¡ ¡

(next ¡slides) ¡

Module ¡Design ¡Evolu]on ¡

Power ¡ Card ¡

Comments: ¡

• ­‑ ¡Symmetry ¡between ¡the ¡two ¡rows ¡is ¡quite ¡important ¡
• ­‑ ¡Power ¡card ¡(DC-­‑DC ¡or ¡SP) ¡implanta2on ¡is ¡quite ¡challenging ¡and ¡needs ¡study ¡
• ­‑ ¡Pigtail ¡flexibility ¡is ¡essen2al ¡to ¡pass ¡over ¡the ¡cooling ¡plate ¡
• ­‑ ¡EMI ¡inves2ga2on ¡is ¡essen2al ¡when ¡considering ¡DC-­‑DC ¡ ¡

Cooling ¡plates ¡and ¡tubes ¡ Flexible ¡pigtail ¡with ¡ connector ¡and ¡s=ffener ¡ HCC ¡ CC ¡+ ¡hybrid ¡flex ¡ “U” ¡bridge ¡ S=ffener ¡linking ¡the ¡2 ¡ sides ¡possibly ¡free ¡from ¡ the ¡local ¡support ¡ HCC ¡

1st ¡dra[ ¡layout ¡with ¡ABCN130, ¡HCC ¡under ¡inves2ga2on ¡

Input ¡Filtering ¡ GND ¡AC ¡coupling ¡with ¡HVret ¡

21 ¡

• D. ¡Ferrere ¡
• S. ¡Gonzalez ¡Sevilla ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Cooling ¡In ¡

Super-­‑Module ¡Design ¡Evolu]on ¡

Service ¡bus ¡

TTC, ¡Data ¡& ¡ DCS ¡ ¡ PS ¡cable ¡

SMB ¡

Module ¡#1 ¡ Module ¡#2 ¡ Module ¡#8 ¡ HV ¡cable ¡

DCDC ¡

Extrapolated ¡version ¡with ¡ABCN130 ¡& ¡HCC ¡

DCDC ¡ DCDC ¡ DCDC ¡ DCDC ¡ DCDC ¡

BCC ¡board ¡ BCC ¡board ¡ BCC ¡board ¡ Cooling ¡In ¡ Cooling ¡In ¡

Service ¡bus ¡

TTC, ¡Data ¡& ¡ DCS ¡fibers ¡ PS ¡cable ¡ DCS, ¡Interlock ¡ Cooling ¡In ¡ Opto ¡ SMC ¡

SMC ¡ Hybrid ¡

Cooling ¡Out ¡ HV ¡cable ¡ Module ¡#1 ¡ Module ¡#2 ¡ Module ¡#12 ¡ GBT ¡SCA ¡ P S ¡

HCC ¡ HCC ¡

P S ¡

HCC ¡ HCC ¡

P S ¡

HCC ¡ HCC ¡

22 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

• F. ¡Cadoux, ¡Y. ¡Favre, ¡D. ¡Ferrere ¡

Design ¡Evolu]on ¡– ¡3D ¡Models ¡

¡Will ¡serve ¡as ¡input ¡for ¡thermal ¡ and ¡thermo-­‑mechanical ¡FEA ¡

23 ¡

1st ¡version ¡of ¡new ¡module ¡ design ¡using ¡3D ¡ ¡ Integra2on ¡of ¡modules ¡on ¡the ¡cooling ¡plates ¡ and ¡op2mized ¡LS ¡ Integra2on ¡of ¡supermodule ¡with ¡Local ¡Support ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Material ¡Budget ¡Es]ma]on ¡ Item ¡

• Rad. ¡length ¡[% ¡X0] ¡

Module ¡with ¡CC ¡bridge ¡(12mm ¡width) ¡

• ­‑ ¡

1.59 ¡ Module ¡without ¡CC ¡bridge ¡ 1.49 ¡

• ­‑ ¡

Local ¡support ¡ 0.18 ¡ 0.18 ¡ Cooling ¡plates ¡ 0.25 ¡ 0.25 ¡ Bracket, ¡inserts ¡ ¡(interface ¡to ¡cylinder) ¡ 0.08 ¡ 0.08 ¡ Cooling ¡pipe ¡(Ti ¡2mm) ¡ 0.04 ¡ 0.04 ¡ Cable ¡bus ¡Al/Cu ¡ 0.19 ¡

• ­‑ ¡

Cable ¡bus ¡Cu ¡only ¡

• ­‑ ¡

0.31 ¡ Total ¡ 2.23 ¡ 2.45 ¡

From ¡Y. ¡Unno ¡(evolving) ¡ NB: ¡

• ¡The ¡sensor ¡thickness ¡is ¡considered ¡320 ¡µm. ¡If ¡250 ¡µm ¡one ¡gains ¡0.15%. ¡
• ¡List ¡above ¡does ¡not ¡include ¡the ¡power ¡cards: ¡serial ¡power ¡interface ¡or ¡DC-­‑DC ¡card ¡
• ¡Module ¡without ¡CC ¡bridge ¡means ¡that ¡the ¡hybrid ¡flex ¡is ¡directly ¡glued ¡on ¡top ¡of ¡the ¡Si-­‑sensor. ¡This ¡

¡ ¡ ¡must ¡be ¡inves2gated. ¡

• ¡Al/Cu ¡bus ¡is ¡a ¡mul2layer ¡flex ¡which ¡is ¡the ¡IBL ¡baseline. ¡ ¡

24 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Module ¡Produc]on ¡and ¡Organiza]on ¡

25 ¡

Assm Sites Collaborating Institutes CERN SM shipment

Individual component QA and checks Module assembly Module metrology Wire bonding Thermal cycling Module metrology Electrical QA and inspection Storage Operations

Module assembly

LS inspections and basics checks Pipe checks Service checks SMC hybrid functionality checks Module assembly on LS with pipe Service assembly SMC hybrid assembly SM metrology SM QA Storage until shipment

Next SM assembly

SM reception tests Barrel structure assembly Structure alignment survey SM end insertion Commissioning the full barrel Operations

Integration Parallel ¡prototyping, ¡procurement, ¡assembly ¡possible ¡for ¡all ¡parts ¡of ¡the ¡supermodules ¡

• Modules/supermodules replaceable at all stages, even when assembled on barrel
• Simplification and flexibility of prototyping (e.g. prototype changes to SMC-GBT, service bus, LS, pipe)
• Flexibility to layout and production changes

From ¡D. ¡Ferrere ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Conclusions

26 ¡

• 1. The ¡double ¡sided-­‑module ¡program ¡is ¡close ¡to ¡demonstra]ng ¡feasibility ¡for ¡HL-­‑LHC ¡
• The ¡noise ¡performance ¡on ¡single ¡module ¡test ¡box, ¡combined ¡module ¡test ¡box ¡or ¡on ¡the ¡

super-­‑module ¡prototypes ¡using ¡DC-­‑DC ¡is ¡as ¡expected ¡and ¡below ¡~ ¡600 ¡e-­‑ ¡ ¡

• Expected ¡good ¡mechanical ¡stability ¡for ¡modules, ¡and ¡supermodules ¡on ¡LS ¡(design ¡is ¡
• p2mised ¡for ¡thermal ¡stability) ¡
• Low ¡material ¡budget: ¡while ¡retaining ¡good ¡thermal-­‑mechanical ¡behaviour ¡
• Module ¡z-­‑overlap ¡and ¡true ¡stereo ¡space ¡point ¡op]ons ¡available ¡ ¡
• Flexibility ¡in ¡design ¡to ¡enable ¡parallel ¡developments ¡
• Some ¡key ¡ques]ons ¡remain, ¡independent ¡of ¡super ¡module ¡(services, ¡layout, ¡trigger ¡…) ¡
• Key ¡issue ¡will ¡be ¡test-­‑beam ¡and ¡radia]on ¡studies ¡with ¡next-­‑genera]on ¡modules ¡
• 2. ¡New ¡layout ¡considering ¡a ¡realis]c ¡“produc]on-­‑like” ¡design ¡has ¡started ¡
• ¡ABCN130, ¡HCC ¡and ¡a ¡dedicated ¡service ¡bus ¡ ¡
• compe]]ve ¡material ¡budget ¡(including ¡op2mized ¡service ¡material) ¡

¡

• 3. ¡Assembly ¡parallelism ¡and ¡flexibility ¡
• Possible ¡at ¡all ¡stages ¡of ¡prototyping, ¡assembly ¡and ¡integra]on ¡
• Maximizes ¡quality, ¡minimizes ¡risks ¡
• 4. ¡Much ¡s]ll ¡to ¡be ¡done ¡…… ¡

A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

27 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Max ¡stress ¡in ¡the ¡TPG ¡~16 ¡MPa ¡à ¡much ¡lower ¡ than ¡the ¡TPG ¡tensile ¡strength ¡(40 ¡MPa) ¡

Module Thermo-mechanical FEA Checks

Von ¡Mises ¡stresses ¡in ¡TPG ¡plane ¡ Deflec]on ¡in ¡the ¡module ¡ A ¡module ¡elonga]on ¡of ¡~10 ¡microns ¡is ¡probed ¡ at ¡the ¡opposite ¡side ¡of ¡the ¡module ¡origin ¡ Z ¡deforma]on ¡top ¡side ¡ Z ¡deforma]on ¡bozom ¡side ¡ Max ¡deforma]on ¡/ ¡bow ¡ ¡is ¡less ¡than ¡1.5micron ¡in ¡the ¡sensor ¡baseboard ¡

28 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

Load ¡tes]ng ¡applied ¡to ¡the ¡Prototype ¡(several ¡weight, ¡loca2ons,…) ¡

SM ¡onto ¡the ¡granite ¡table ¡@ ¡Unige ¡(+ ¡its ¡assembly ¡jig) ¡

Super-module Load Tests and FEA

29 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

• F. ¡Cadoux, ¡G. ¡Barbier ¡

F1 ¡

How ¡does ¡it ¡compare ¡with ¡tests?? ¡ § ¡Only ¡check ¡/ ¡one ¡F1 ¡loca2on ¡ § ¡C1: ¡OK ¡while… ¡C2: ¡NOK ¡so ¡far! ¡ § ¡Fine ¡tune ¡the ¡wing ¡s2ffness ¡ ¡ § ¡wing ¡rota2on ¡(F ¡applied ¡on ¡bridge ¡end) ¡ ¡ ¡ ¡under ¡evalua2on… ¡

F1 ¡

Pre~y ¡good ¡agreement! ¡ (FEA ¡: ¡0,5-­‑0,6mm ¡/ ¡Test: ¡0.65mm) ¡ ¡ C1 ¡ C2 ¡ Same ¡Load ¡tes]ng ¡applied ¡to ¡the ¡Prototype ¡but ¡“FEA ¡wise” ¡(several ¡weight, ¡loca2ons,…) ¡

Super-module Load Tests and FEA

30 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

• F. ¡Cadoux, ¡G. ¡Barbier ¡

Service ¡Bus ¡Development ¡

Inputs for future design:

• HCC integrated on the hybrid together with ABCN130
• Direct hybrid pigtail connection to service bus – 1 connector for 2 hybrids
• Mass optimization to be considered: LV traces (Al vs Cu), connectors, bus dimension
• Multi-drop LVDS to think (without LVDS fanout)
• Steer the CTE mismatch between service bus and super-module local support
• HV line insulation: via + open pads and connectors
• Impedance adaptation for LVDS lines: Point-to-point and multi-drop
• Shield plane for LVDS and HV. EMI investigation (simulation, measurements, …)
• Service bus temperature should be estimated and stay homogenous
• DC-DC or SP interface to hybrid, bus and cooling?
• Fabrication issue to be investigated: Al mixed with Cu versus service bus length

Two types identified:

• Multilayer flex with Al-layers for LV supply and Cu-traces for the other lines (Like IBL)
• Multi-stack of 2-layers: 1 with Al for LV supply assembled via connectors to two-layers Cu.

NB: Assembly precision need to be better than ~ ¼ of the connector pitch

31 ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡

References ¡

32 ¡

Super-­‑module: ¡

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• ¡ATLAS ¡public ¡note: ¡ATL-­‑UPGRADE-­‑PUB-­‑2011-­‑002 ¡

“Design ¡and ¡assembly ¡of ¡double-­‑sided ¡silicon ¡strip ¡module ¡prototypes ¡for ¡the ¡ATLAS ¡ upgrade ¡strip ¡tracker” ¡

• ¡TWEPP ¡Poster ¡(S. ¡Gonzalez ¡Sevilla): ¡2011 ¡JINST ¡6 ¡C11002 ¡ ¡

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