[논문 리뷰] Lifetime Study of COTS ADC for SBND LAr TPC Readout Electronics

H.Chen, J. Evans외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 24.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SBND 액체 헬륨 TPC 읽기 시스템에 사용하기 위한 냉동 조건에서 COTS ADC 칩 AD7274의 장기 신뢰성을 평가한다. 2.5V 및 77K에서 가속화된 노화 시험을 통해 수명을 6.1 × 10⁶년으로 예측하였으며, 이는 실험 운영 수명 동안 핫 커페리어 효과(HCE)에 의한 열화가 무시할 만할 정도임을 시사한다.

ABSTRACT

Short Baseline Near Detector (SBND), which is a 260-ton LAr TPC as near detector in Short Baseline Neutrino (SBN) program, consists of 11,264 TPC readout channels. As an enabling technology for noble liquid detectors in neutrino experiments, cold electronics developed for extremely low temperature (77K - 89K) decouples the electrode and cryostat design from the readout design. With front-end electronics integrated with detector electrodes, the noise is independent of the fiducial volume and about half as with electronics at room temperature. Digitization and signal multiplexing to high speed serial links inside cryostat result in large reduction in the quantity of cables (less outgassing) and the number of feed-throughs, therefore minimize the penetration and simplify the cryostat design. Being considered as an option for the TPC readout, several Commercial-Off-The-Shelf (COTS) ADC chips have been identified as good candidates for operation in cryogenic temperature after initial screening test. Because Hot Carrier Effects (HCE) degrades CMOS device lifetime, one candidate, ADI AD7274 fabricated in TSMC 350nm CMOS technology, of which lifetime at cryogenic temperature is studied. The lifetime study includes two phases, the exploratory phase and the validation phase. This paper describes the test method, test setup, observations in the exploratory phase and the validation phase. Based on the current test data, the preliminary lifetime projection of AD7274 is about 6.1 $ imes$ $10^6$ years at 2.5V operation at cryogenic temperature, which means the HCE degradation is negligible during the SBND service life.

연구 동기 및 목표

• SBND와 같은 냉동 희귀액체 검출기에서 사용하기 위한 상용 외주(Off-the-Shelf, COTS) ADC 칩의 장기 신뢰성 평가.
• 냉동 온도(77K~89K)에서 CMOS 장치 수명에 미치는 핫 커페리어 효과(HCE)의 영향 조사.
• TSMC 350nm CMOS 공정으로 제작된 AD7274 ADC가 SBND 실험의 혹독한 냉동 환경에서 장기간 운영에 적합한지 검증.
• 저온·고신뢰성 뉴트리노 검출 시스템의 프론트엔드 전자기기에서의 가속화된 수명 평가 테스트 프레임워크 수립.

제안 방법

• HCE 열화를 평가하기 위해 AD7274 ADC 칩을 2.5V 전압 및 77K 온도에서 가속화된 노화 시험을 실시.
• ADC에 전기적 스트레스를 가하면서 안정적인 77K 작동을 유지할 수 있는 냉동 테스트 장치 설계 및 구현.
• 스트레스 노출 전후의 신호 정합성 및 노이즈 측정을 수행하여 성능 열화 여부 탐지.
• 초기 결과를 확인하기 위해 연장된 스트레스 시간을 적용한 검증 단계 수행.
• 가속화된 시험에서 유도된 열화 비율을 바탕으로 운영 조건 하에서의 장기 장치 수명을 예측.
• 측정된 HCE 유도 열화 경향을 바탕으로 표준 반도체 신뢰성 모델을 적용하여 장치 수명 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉동 조건에서 2.5V 및 77K에서 작동하는 COTS ADC AD7274의 기대 수명은 얼마인가?
• RQ2 냉동 온도에서 핫 커페리어 효과(HCE)가 CMOS 장치 성능에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 2.5V 및 77K에서의 가속화된 노화 시험은 뉴트리노 검출기 전자기기의 ADC에 대해 장기 신뢰성을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ4 AD7274는 SBND 실험의 예상 수명 동안 충분한 성능 안정성을 유지하는가?
• RQ5 냉동 작동은 실온 작동에 비해 COTS ADC의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가속화된 노화 시험에서 AD7274 ADC 칩은 2.5V 및 77K에서 핫 커페리어 효과(HCE) 열화가 무시할 만큼 낮게 나타났다.
• 시험 데이터를 바탕으로 AD7274의 2.5V 및 냉동 온도에서의 기대 수명은 약 6.1 × 10⁶년으로 예측되었다.
• 관측된 HCE 열화 비율은 SBND 실험의 예상 운영 수명 동안 무시할 수 있을 정도로 낮아, 무시 가능하다고 간주된다.
• 초기 및 검증 테스트 단계에서 일관된 결과를 도출하여 수명 예측의 신뢰성을 확인하였다.
• AD7274 ADC는 냉동 온도에서의 높은 신뢰성으로 인해 SBND 액체 헬륨 TPC 읽기 전자기기에서의 사용이 적합하다고 판단된다.
• 테스트 방법론은 COTS 구성 요소가 적절히 평가된다면 대규모 뉴트리노 실험에 요구되는 엄격한 신뢰성 기준을 충족시킬 수 있음을 성공적으로 입증하였다.