[논문 리뷰] Design and Fabrication of a Highly Integrated Silicon Detector for the STAR Experiment at Brookhaven National Laboratory

B. Buck, E. Anderssen외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 03.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 RHIC의 STAR 실험을 위한 고도로 통합된 실리콘 스테이브의 설계 및 제작을 제시한다. 이 스테이브는 카프론 기반 하이브리드 기판 위에 6개의 커스텀 실리콘 센서와 36개의 APV 프론트엔드 칩이 4,608개의 실선으로 접합되어 있으며, 탄소섬유 강화 복합재 구조와 내장형 냉각 시스템을 통해 최종 검출기에서 95%의 채널 기능성을 달성했으며, 100 µm 미만의 정밀한 광학 측정을 통해 정확도를 확보했다.

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.

연구 동기 및 목표

• RHIC의 고방사선 환경에서 저질량, 고통합도의 입자 트래킹 검출기를 개발하기 위해.
• 재료 예산을 최소화하면서도 견고한 전기적 및 열적 성능을 확보하기 위해.
• 탄소섬유와 카프론 하이브리드 기판으로 공진성된 스테이브 구조 내에서 실리콘 센서, 프론트엔드 칩, 냉각 시스템을 정밀하게 기계적·전기적으로 통합하기 위해.
• 자외선에 강한 봉입재를 사용하여 방사선 및 열 스트레스 조건에서도 신뢰성 있는 실선 접합과 장기적 안정성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 질량을 줄이기 위해 선택적 도금을 통해 빈도를 통과하는 비아를 갖춘 2층 구조의 0.5 oz. 구리-카프론 하이브리드 기판을 사용한다.
• 36개의 APV 아날로그 프론트엔드 칩과 6개의 실리콘 센서를 하이브리드 기판에 실선 접합하며, 전원, 신호, 제어 라인은 차동 쌍과 I2C 버스를 통해 배치된다.
• 탄소섬유 허니컴과 거품 코어를 하이브리드 기판에 함께 몰드하여 공진성 처리하며, APV 칩 아래에 알루미늄 냉각 튜브를 내장하여 열을 관리한다.
• 누출 시 검출기 오염을 방지하기 위해 낮은 증기압과 높은 절연성의 특성을 지닌 Novec 7200 합성 냉각액을 사용한다.
• Nikon VM-150을 사용한 광학 측정으로 센서 정렬에 대해 약 5 µm의 평면 내 정밀도와 약 50 µm의 평면 외 정밀도를 달성한다.
• 조립 후 실선 접합을 보호하기 위해 실선 접합부에 도우 코팅 Sylgard 186 엘라스터를 사용하여 자외선 경화성 봉입재를 대체한다. 이는 이전에 사용된 Dymax 9001-E-V3.1이 칩 손상을 유발했기 때문이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고방사선 가속기 환경에서 물질 상호작용을 최소화하면서도 고밀도·저질량의 실리콘 트래킹 스테이브를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 공진성된 탄소섬유 및 카프론 하이브리드 기판에서 실선 접합과 열 관리 기술은 무엇인가?
• RQ3 작고 도전적인 스테이브 구조에서 4,608개의 실선 접합을 통해 전기적 성능과 신호 무결성을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ4 감도가 높은 APV 프론트엔드 칩을 손상시키지 않으면서도 실선 접합의 장기적 신뢰성을 확보할 수 있는 봉입 방법은 무엇인가?
• RQ5 설치 이전에 검출기 스테이브의 기계적 정렬 정밀도를 100 µm 이내로 달성하기 위한 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 최종 검출기에서 95%의 채널 기능성을 달성했으며, 거의 모든 스테이브가 성공적으로 STAR 실험에 통합되었다.
• 광학 측정을 통해 각 스테이브의 위치 정밀도가 평면 내 약 5 µm, 평면 외 약 50 µm에 도달했다.
• Novec 7200 냉각액을 사용함으로써 증기압이 낮고 절연성이 높아 누출 발생 시 검출기 손상 위험을 제거했다.
• 자외선 경화성 봉입재인 Dymax 9001-E-V3.1이 경화 과정에서 APV 칩을 손상시켜, 실온 경화성인 도우 코팅 Sylgard 186로 전환하였다.
• APV 칩 배치 부위당 14개의 열비아를 통해 열 저항을 감소시켜 열 부하를 효과적으로 관리하는 데 성공했다.
• 조립 후 테스트와 광학 측정을 통해 접합 문제를 식별하고 수정함으로써 설치 이전에 높은 신뢰성을 확보할 수 있었다.