elettronica tracciatore cms: dsm 0.25 m m

GuidoTonelli/Università di Pisa ed INFN/Gruppo1/Roma 14-05-20021

Elettronica tracciatore CMS: DSM 0.25m

• La scelta della tecnologia rad-hard

• Il contratto quadro CERN-IBM per DSMT 0.25m

• La qualifica dei chip DSMT 0.25m per il tracciatore

• Conclusione


Tutti i componenti sul rivelatore devono essere rad-hard (10Mrad)

Elettronica di read-out del tracciatore


• Tutti i tentativi di utilizzo di tecnologie commerciali (HARRIS, HONEYWELL ecc.) si sono rivelati estremamente costosi e tecnicamente problematici.

• I tentativi di sviluppare/qualificare una tecnologia “europea” (DMILL) non hanno avuto successo per difficolta’ tecniche.

• Dopo alcuni risultati preliminari estremamente promettenti, il CERN firma un contratto-quadro con IBM Italia per definire le condizioni commerciali e tecniche di accesso alla tecnologia 0.25m di IBM.

• Ponendosi come interlocutore unico per tutti gli esperimenti di LHC (Atlas,Cms, Alice, Lhcb) le condizioni commerciali sono particolarmente vantaggiose.

• IBM garantisce la stabilita’ della tecnologia; il CERN si prende la responsabilita’ del disegno ‘custom’ delle celle aanalogiche e della qualifica post-irraggiamento.

Contratto quadro CERN-IBM


APV25: il chip di front -end

APV25-S1 (Agosto 2000)

Dim. del chip 7.1 x 8.1 mm

Finale

APV25-S1 (Agosto 2000)

Dim. del chip 7.1 x 8.1 mm

Finale

programmable gain

Low noisecharge

preamplifier

50 ns CR-RC

shaper

192-cell

analogue

pipeline

1 dei 128 canali

SF

SF

Analogue unity

gain inverter

S/H

APSP

128:1 MUX

Differential current

O/P


Stato g

Layout del reticolo e del wafer Diametro wafer 200mm #APV25 ≈ 450#APVMUX+PLL ≈ 110Dim. reticolo 18,4 x 14,4mm


DCU

Consente il monitoraggio di correnti, temperature e tensioni di lavoro.


Sono componenti indispensabili per partire con la produzione perche’ finiscono sull’ibrido di read-out e sull’ibrido ottico

APV, MUX, PLL, DCU e Laser driver


Tutti i test effettuati su chip prodotti in tecnologia IBM .25m hannodato ottimi risultati per valori di irraggiamento ben superiori a quelli previsti in LHC. CMOS intrinsecamente robusto per il danno di bulk. Chip testati in maniera intensiva per effetti di superficie.(50kV X-ray source dose rate ~ 0.5Mrad/Hour fino a 10, 20, 30 & 50Mrad; dosimetri al Si

~10% precisione; anneal: 1 settimana a 100oC).

.

Test di irraggiamento su chip in .25m (IC e Padova)

0.001

2

3

4

5

6789

0.01

Nois

e [

V/H

z1/2]

104

2 4 6

105

2 4 6

106

2 4 6

107

Frequency [Hz]

pre-rad 10 Mrad 20 Mrad 30 Mrad 50 Mrad anneal

0.001

2

3

4

5

6789

0.01

Nois

e [

V/H

z1/2]

104

2 4 6

105

2 4 6

106

2 4 6

107

Frequency [Hz]

pre-rad 10 Mrad 20 Mrad 30 Mrad 50 Mrad anneal

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Id [

A]

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2Vg [V]

Pre-rad 50 Mrad Anneal

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Id [

A]

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2Vg [V]

Pre-rad 50 Mrad Anneal


Sorgente di raggi X; irraggiamento con i chip sotto bias ed in condizioni normali di lettura.

Test di irraggiamento APV25 (IC e Padova)

Nessun cambiamento del rumore dopo l’irraggiamentoNessun cambiamento del rumore dopo l’irraggiamento

5004003002001000

250200150100500

10 Mrad5004003002001000

250200150100500

Pre-rad APV25-S1APV25-S1

Test ripetuti con elettroni da Linac da 10 MeV (80Mrad) e

neutroni da reattore (2.1x1014cm-2)


Test di SEU (Single Event Upset) con ioni pesanti (Legnaro) e con pioni (PSI)

Estrapolazione per l’intero sistema:~120 SEU per ora = 0.15%

APV25sConclusioni: la tecnologia appare estremamente robusta.

I on Si Cl Ti Ni Br I

LET(MeV.cm2

.mg-1)

9-10

13-16

20-23

28-32

3962

I on Si Cl Ti Ni Br I

LET(MeV.cm2

.mg-1)

9-10

13-16

20-23

28-32

3962


• Richiesta di partecipazione alle spese per il procurementattraverso il meccanismo del ‘frame contract’ CERN-IBM per l’utilizzo della tecnologia DSM (.25m).

• Fondi (200KEuro CORE) assegnati a Padova.

• Primo contratto per un engineering run dei chip di controllo:quota totale 203.800CHF; partecipazione INFN 56.800CHF (cassa

2002)

Conclusioni

elettronica tracciatore cms: dsm 0.25 m m

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