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

Development ¡of ¡the ¡silicon ¡microstrip ¡super-­‑ module ¡prototype ¡for ¡the ¡HL-­‑LHC ¡ 8 th ¡ "Hiroshima" ¡Symposium ¡on ¡Development ¡and ¡Applica2on ¡of ¡Semiconductor ¡ ¡ Tracking ¡Detectors ¡(HSTD-­‑8), ¡ Taipei, ¡Taiwan, ¡December ¡3-­‑8, ¡2011 ¡ 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 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)

Machine ¡and ¡Detectors ¡at ¡HL-­‑LHC ¡ 2012 2012 2011 2011 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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡L peak ¡ ~ ¡3.65 ¡x ¡10 33 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ¡L int ¡~ ¡5 ¡K -­‑1 ¡ 2012 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡√s=8 ¡TeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡L peak ¡ ~ ¡5 ¡x ¡10 33 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ¡ ¡ ¡ ¡ 2014 ¡-­‑ ¡16 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡√s=14 ¡TeV ¡ ¡ ¡ ¡L peak ¡ > ¡5 ¡x ¡10 33 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ¡ ¡ 2018 ¡-­‑ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡L peak ¡ ~ ¡2-­‑3 ¡x ¡10 34 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ¡L int ¡~ ¡300 ¡-­‑ ¡400 ¡K -­‑1 ¡ ¡ > ¡2022 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡L peak ¡ ~ ¡5 ¡x ¡10 34 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ¡L int ¡~ ¡3000 ¡K -­‑1 ¡ (luminosity ¡levelling) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ – ¡ ¡ ¡25 ¡nsec ¡bunch ¡spacing ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡ ¡ ¡ ¡Tracking ¡performance ¡should ¡be ¡maintained ¡with ¡up ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡~200 ¡collisions ¡per ¡bunch ¡crossing ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 2 ¡ ¡

ATLAS ¡– ¡Example ¡of ¡20 ¡pile-­‑up ¡events ¡ Z ¡ à ¡µ + µ – ¡ ……. ¡and ¡imagine ¡10 ¡2mes ¡the ¡number ¡of ¡primary ¡ver2ces ¡……. ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 3 ¡

ATLAS ¡ Benchmark ¡layout ¡and ¡performance ¡requirements ¡(1) ¡ This ¡talk ¡ 4 ¡pixel ¡layers/disks: ¡ ¡nominal ¡50 ¡x ¡250 ¡µm 2 ¡ ¡ 3 ¡inner ¡short-­‑strip ¡layers: ¡nominal ¡80 ¡x ¡2400 ¡µm 2 , ¡stereo ¡space ¡points ¡40 ¡mrad ¡ 2 ¡outer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡80 ¡x ¡9600 ¡µm 2 , ¡stereo ¡space ¡points ¡40 ¡mrad ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 4 ¡

ATLAS ¡Benchmark ¡layout ¡and ¡performance ¡requirements ¡(2) ¡ From ¡I. ¡Dawson ¡et ¡al., ¡FLUKA ¡calculaFons, ¡ ¡ R ¡= ¡30 ¡mm ¡ à ¡integrated ¡fluence ¡> ¡10 15 ¡n eq ¡cm -­‑2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡for ¡L int = ¡3000 ¡Y -­‑1 ¡ ¡ ¡ ATLAS ¡benchmark ¡layout, ¡ ¡ ¡ ¡ Silicon ¡strip ¡modules ¡must ¡retain ¡noise ¡occupancy ¡ specifica2ons ¡a[er ¡L int = ¡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 ¡d 0 , ¡z 0 sin θ , ¡ Δ p T /p T 2 ¡requirements, ¡including ¡in ¡boosted ¡jets ¡ • – ¡minimize ¡module ¡and ¡service ¡material ¡(services ¡dominant) ¡ ¡ ¡aim ¡for ¡< ¡2.5% ¡X 0 ¡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) ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 5 ¡

Prototype Module Design Features: • Detectors are mounted back-to-back, true stereo reconstruction (400 µ m sensor separation) à Space point determined by the module assembly with the precision of the jigs (can reach ~1-2 µ m) à Sensor 96 x 96 mm 2 , (short) strips 24 x 0.08 mm 2 , (long) strips 96 x 0.08 mm 2 • 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 1.4 µ m @ -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 A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 6 ¡

Module Assembly Parts – low material budget Populated ¡hybrid ¡with ¡CC ¡bridge ¡ TPG ¡and ¡Ceramic ¡facings ¡ Sensor ¡to ¡baseboard ¡assembly ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 7 ¡

Module ¡thermal ¡FEA ¡with ¡and ¡without ¡CC ¡bridge ¡ Recent ¡FEA ¡calcula]ons ¡by ¡F. ¡Cadoux ¡ CO 2 ¡based ¡ Hybrid ¡glued ¡on ¡the ¡Si-­‑sensor ¡ -­‑35°C ¡as ¡coolant ¡temp. ¡ Bridge ¡hybrids ¡ 2mm ¡ID ¡pipe ¡ Chip: ¡0,3W ¡ No ¡wire ¡bonds ¡connected ¡here… ¡ Some ¡gap ¡in ¡here… ¡ Sensor ¡temperature ¡ [-­‑22, ¡-­‑24 ¡°C] ¡ Sensor ¡temperature ¡ [-­‑19, ¡-­‑22 ¡°C] ¡ 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 A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 8 ¡

Module ¡Electrical ¡Performance ¡ ¡ Modules ¡constructed ¡ Modules ¡made ¡at ¡KEK ¡ Addi2onal ¡modules ¡are ¡under ¡ industrializa2on ¡process ¡with ¡ ¡ Japanese ¡companies ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 9 ¡

Module ¡Electrical ¡Performance ¡ ¡ Module ¡Performance ¡– ¡see ¡talk ¡of ¡S. ¡Gonzalez-­‑SEvilla ¡ Typical ¡noise ¡results ¡from ¡the ¡4 ¡module ¡test ¡box ¡ Hybrid ¡0 ¡ Hybrid ¡1 ¡ 564 ¡to ¡590e-­‑ ¡ Col ¡0 ¡ Col ¡ 0 ¡ Iden2cal ¡noise ¡inside ¡a ¡ single ¡module ¡test ¡box ¡ or ¡when ¡combined ¡in ¡ the ¡4 ¡module ¡test ¡box ¡ Col ¡1 ¡ Col ¡1 ¡ ¡ ¡ Posi2ve ¡ini2al ¡results ¡ following ¡irradia2on ¡ (both ¡R&D ¡efforts) ¡ A ¡Clark, ¡HSTD8 ¡Symposium, ¡Dec ¡2011 ¡ 10 ¡