Elettronica tracciatore CMS: DSM 0.25mm
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La scelta della tecnologia rad-hard
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Il contratto quadro CERN-IBM per DSMT 0.25mm
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La qualifica dei chip DSMT 0.25mm per il tracciatore
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Conclusione
GuidoTonelli/Università di Pisa ed INFN/Gruppo1/Roma 14-05-2002
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Elettronica di read-out del tracciatore
Tutti i componenti sul rivelatore devono essere rad-hard (10Mrad)
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Contratto quadro CERN-IBM
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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
0.25mm 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.
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APV25: il chip di front -end
1 dei 128 canali
Analogue
unity gain
inverter
SF
Low noise
charge
preamplifier
SF
50 ns CRRC shaper
programmable
gain
192-cell
analogue
pipeline
S/H
128:1 Differential
current
MUX
O/P
APSP
APV25-S1 (Agosto 2000)
Dim. del chip 7.1 x 8.1 mm
Finale
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Layout del reticolo e del wafer
Diametro wafer 200mm
#APV25
≈ 450
#APVMUX+PLL ≈ 110
Dim. reticolo
18,4 x 14,4mm
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Stato g
5
DCU
Consente il monitoraggio di correnti, temperature e tensioni di lavoro.
DCU Requireme nts
• Inpu t channels: 7 ( 5 used)
( + Inte rnal Temperat ure Sensing)
• Resoluti on: 12 bit s
• INL: ±1 LSB
• DNL: no mi ssing code s
• Conversion t ime: < 1 ms
• Operat ing t empe rat ure range: -50 °C • +50 °C
• Power Consump t ion: < 50 mW
• Supply Vo lt age s: VSS = -1 .25V and VDD = 1 .25V
• Clock Frequenc y: 40 MHz ( in phase wit h APV clock )
• Inpu t range: GND ± 1 .0V
• Die Size : 2 mm x 2 mm
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APV, MUX, PLL, DCU e Laser driver
Sono componenti indispensabili per partire con la produzione
perche’ finiscono sull’ibrido di read-out e sull’ibrido ottico
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Test di irraggiamento su chip in .25mm (IC e Padova)
Tutti i test effettuati su chip prodotti in tecnologia IBM .25mm hanno
dato 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).
.
9
8
7
6
pre-rad
10 Mrad
20 Mrad
30 Mrad
50 Mrad
anneal
5
4
Id [A]
1/2
Noise [mV/Hz ]
0.01
3
2
0.001
4
10
2
4 6
5
2
4 6
6
10
10
Frequency [Hz]
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2
4 6
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
7
10
Pre-rad
50 Mrad
Anneal
-10
-0.6
-0.4
-0.2
Vg [V]
0.0
0.2
8
Test di irraggiamento APV25 (IC e Padova)
Sorgente di raggi X; irraggiamento con i chip sotto bias ed in
condizioni normali di lettura.
500
400
300
200
100
0
Pre-rad
0
50 100 150 200 250
500
APV25-S1
400
300
200
100
0
10 Mrad
0
50 100 150 200 250
Nessun cambiamento del rumore dopo l’irraggiamento
Test ripetuti con elettroni da Linac da 10 MeV (80Mrad) e
neutroni da reattore (2.1x1014cm-2)
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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%
APV25s
Conclusioni: la tecnologia
appare estremamente
robusta.
Ion
LET
2
(MeV.cm
.mg-1)
Si
Cl
Ti
Ni
Br
910
1316
2023
2832
39
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I
62
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Conclusioni
• Richiesta di partecipazione alle spese per il procurement
attraverso il meccanismo del ‘frame contract’ CERN-IBM per
l’utilizzo della tecnologia DSM (.25mm).
•
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)
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