[論文レビュー] Design and Fabrication of a Highly Integrated Silicon Detector for the STAR Experiment at Brookhaven National Laboratory

B. Buck, E. Anderssen+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、RHICのSTAR実験用に、カプトン基板上に4,608本のワイヤーボンディングで接合された6つのカスタムシリコンセンサーおよび36個のAPVフロントエンドチップを備えた、高集積度なシリコンステーブの設計および製造について述べている。ステーブは炭素繊維強化複合材構造を採用し、埋め込まれた冷却機構を備え、最終検出器では95％のチャネル機能性を達成した。また、100 µm未満の精度で機械的アライメントを実現するための正確な光学サーベイイングが実施された。

ABSTRACT

We present the design of a detector used as a particle tracking device in the STAR experiment at the RHIC collider of Brookhaven National Laboratories. The "stave," 24 of which make up the completed detector, is a highly mechanically integrated design comprised of 6 custom silicon sensors mounted on a Kapton substrate. 4608 wire bonds connect these sensors to 36 analog front-end chips which are mounted on the same substrate. Power and signal connectivity from the hybrid to the front-end chips is provided by wire bonds. The entire circuit is mounted on a carbon fiber base co-cured to the Kapton substrate. We present the unique design challenges for this detector and some novel techniques for overcoming them.

研究の動機と目的

• RHICの高放射線環境下で、低質量かつ高集積度の粒子トラッキング検出器を開発すること。
• 材料予算を最小限に抑えつつ、電気的および熱的性能を確立すること。
• 柔軟性を有する共硬化ステーブ構造において、シリコンセンサー、フロントエンドチップ、冷却システムを正確に機械的および電気的に統合すること。
• UV耐性コーティングを用いて、放射線および熱ストレス下でも長期間にわたり信頼性の高いワイヤーボンディングと安定性を確保すること。

提案手法

• 質量低減のため、ビアを介した選択的めっきを施した2層構造の0.5 oz.銅／カプトンハイブリッド基板を採用。
• 36個のAPVアナログフロントエンドチップおよび6つのシリコンセンサーをハイブリッド基板にワイヤーボンディングし、電源、信号、制御ラインは差動ペアおよびI2Cバスを介して配線。
• 炭素繊維ハニカムおよびフォームコアをハイブリッド基板に共硬化処理し、APVチップの下にアルミ製冷却チューブを埋め込んで熱管理を実施。
• 漏れ発生時にも検出器の汚染を防ぐために、低蒸気圧かつ高抵抗率であるNovec 7200合成冷却液を冷却媒体として使用。
• ニコンVM-150を用いた光学サーベイイングにより、センサーのアライメントに約5 µmの面内および約50 µmの面外位置精度を達成。
• ワイヤーボンディングの損傷を防ぐために、組立後、ワイヤーボンディングを室温で硬化するDow Corning Sylgard 186エラストマーでコーティング。UV硬化型コーティングではAPVチップが劣化したため、代替策として採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度かつ低質量のシリコントラッキングステーブは、高放射線環境下のコライダー施設で、物質相互作用を最小限に抑えるためにどのように設計できるか？
• RQ2 共硬化処理された炭素繊維およびカプトンハイブリッド構造において、信頼性の高いワイヤーボンディングと熱管理を実現する技術は何か？
• RQ3 コンactなフレキシブルステーブ設計において、4,608本のワイヤーボンディングを介した電気的性能および信号整合性をどのように維持できるか？
• RQ4 感度の高いAPVフロントエンドチップを損傷させることなく、ワイヤーボンディングの長期的信頼性を保証するコーティング法は何か？
• RQ5 設置前に、検出器ステーブの100 µm未満の機械的アライメント精度をどのように達成できるか？

主な発見

• 最終検出器では95％のチャネル機能性を達成し、ほぼすべてのステーブがSTAR実験に正常に統合された。
• 光学サーベイイングにより、各ステーブの位置精度が面内で約5 µm、面外で約50 µmであった。
• Novec 7200冷却液を冷却媒体として使用したことで、低蒸気圧および高抵抗率の特性により、漏れ発生時における検出器損傷のリスクが排除された。
• UV硬化型コーティングであるDymax 9001-E-V3.1は、硬化過程でAPVチップを損傷させたため、室温硬化型のDow Corning Sylgard 186に移行した。
• 各APVチップ設置部に14個の熱ビアを設けたことで、熱抵抗が低減され、熱負荷の管理に成功した。
• 組立後のテストおよび光学サーベイイングにより、ボンディング不良の特定と是正が可能となり、設置前の高い信頼性が確保された。