[论文解读] 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 3

一句话总结

本文介绍了在RHIC的STAR实验中使用的高度集成硅支柱的设计与制造，该支柱配备6个定制硅传感器和36个APV前端芯片，通过4,608根导线键合在基于Kapton的混合基板上。该支柱采用碳纤维增强复合结构并内置冷却系统，在最终探测器中实现了95%的通道功能，通过精确的光学测量实现了亚100 µm的对准精度。

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.

研究动机与目标

• 为RHIC高辐射环境中的STAR实验开发一种低质量、高集成度的粒子跟踪探测器。
• 在确保电气和热性能可靠的前提下，最小化探测器中的材料预算。
• 在柔性共固化支柱结构中实现硅传感器、前端芯片和冷却系统的精确机械与电气集成。
• 通过使用耐紫外线的封装材料，确保在辐射和热应力下导线键合的长期稳定性和可靠性。

提出的方法

• 支柱采用双层0.5盎司铜覆Kapton混合基板，通过通孔选择性电镀以减轻质量。
• 36个APV模拟前端芯片和6个硅传感器通过导线键合在基板上，电源、信号和控制线路通过差分对和I2C总线布线。
• 碳纤维蜂窝和泡沫芯材与基板共固化，铝制冷却管嵌入在APV芯片下方以管理热量。
• 采用Novec 7200合成液体作为非腐蚀性、低蒸气压的冷却剂，防止泄漏时对探测器造成污染。
• 使用Nikon VM-150光学测量系统，实现传感器对准的约5 µm平面内和约50 µm平面外位置精度。
• 在组装后使用Dow Corning Sylgard 186弹性体封装导线键合，以防止损坏，替代了在固化过程中会损坏APV芯片的紫外固化封装材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种高密度、低质量的硅跟踪支柱，以最小化在高能对撞机环境中材料相互作用的影响？
• RQ2 哪些技术能够实现在共固化碳纤维与Kapton混合结构中的可靠导线键合与热管理？
• RQ3 在紧凑、柔性支柱设计中，如何保持4,608根导线键合的电气性能和信号完整性？
• RQ4 哪种封装方法可确保导线键合的长期可靠性，同时不损害敏感的APV前端芯片？
• RQ5 如何在安装前实现探测器支柱的亚100 µm机械对准精度？

主要发现

• 最终探测器实现了95%的通道功能，几乎所有支柱均成功集成到STAR实验中。
• 光学测量实现了每根支柱约5 µm的平面内和约50 µm的平面外位置精度。
• 使用Novec 7200作为冷却剂消除了泄漏导致探测器损坏的风险，因其蒸气压低且电阻率高。
• 紫外固化封装材料Dymax 9001-E-V3.1在固化过程中损坏了APV芯片，因此改用室温固化的Dow Corning Sylgard 186。
• 支柱设计通过每颗APV芯片位置设置14个热通孔，成功管理了热负荷，降低了热阻。
• 组装后测试与光学测量相结合，可识别并纠正键合问题，确保安装前的高可靠性。