Steering electronics, module design and construction of an all silicon DEPFET module


Kreidl, Christian


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/29633
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-296330
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2011
Ort der Veröffentlichung: Mannheim
Verlag: Universität Mannheim
Hochschule: Universität Mannheim
Gutachter: Fischer, Peter
Datum der mündl. Prüfung: 15 Dezember 2011
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Schaltungstechnik u. Simulation (Fischer -2008)
Fachgebiet: 004 Informatik
Normierte Schlagwörter (SWD): Konstruktion , Detektor , Flip-Chip-Technologie , Elektronik
Freie Schlagwörter (Englisch): all-silicon detector module , flip-chip assembly , electronics
Abstract: High energy physics experiments require detectors with an excellent imaging performance. The innermost part is often a pixel vertex detector with 2D position readout. The DEPFET pixel detector is an option for the International Linear Collider and will be used in the Belle II experiment at the SuperKEKB accelerator in Japan. Two barrel layers will be installed in a very confined space and hence, a dense packaging of sensors, read-out and steering chips is mandatory. A hard radiation environment is influencing the electronics at the location close to the interaction point. The steering chips are controlling the DEPFET imaging devices. They need to provide fast signals to read-out the large sensitive areas in a high speed. Two generations of steering chips are characterized and tested for their radiation hardness in this work. A converter chip was designed to operate the read-out chip stand-alone, until the data compression chip is ready. The DEPFET detector modules will be build in the novel all-silicon approach, where the read-out and steering chips are mounted upside down directly onto the detector silicon. The silicon area is also used to interconnect the chips with the imaging devices and the cables. A thinned sensor area reduces the negative influences of the material on the particle tracks, but results in fragile devices. A flip-chip interconnection technology connects the chips to the detector and builds the all-silicon module. The technology has to be compatible with the thin and fragile DEPFET devices. Different flip-chip methods are evaluated in this dissertation. Many processes are only feasible for mass production and can’t adopt to the flexibility requirements in research and development. Two processes, the gold-stud and solder ball bumping, meet the requirements and were deployed in the scope of this work. Several test prototypes have been successfully built with these processes. Interconnecting the flip-chip mounted chips with the DEPFET array and the off-module cable connection on the detector modules is a further task addressed in this work. The special DEPFET technology limits the design complexity of the chip interconnection. A high power consumption of the read-out chips and the dense packaging of chips on the module are increasing the complexity furthermore. In summary, this work has provided an important contribution to the development of the novel high resolution DEPFET vertex detector concept and has advanced the construction of the Belle II pixel vertex detector.
Übersetzung des Abstracts: Experimente in der Hochenergiephysik benötigen Detektoren mit exzellenten bildgebenden Eigenschaften. Ein zentraler Teil ist oft ein Pixel Vertex Detektor zur 2D Positionsbestimmung. Der DEPFET Pixel Detektor ist eine Option für den International Linear Collider und wird beim Belle II Experiment am SuperKEKB Beschleuniger in Japan eingesetzt werden. Zwei zylindrische Lagen werden auf kleinstem Raum montiert und ein kompakter Aufbau des Sensors mit den Auslese- und Steuerchips ist dadurch nötig. Nahe am Wechselwirkungspunkt herrscht eine starke Strahlung, die die Elektronik negativ beeinflusst. Die Steuerchips müssen schnelle Signale erzeugen, um den großen aktiven Bereich des DEPFET Detektors schnell auslesen zu können. Zwei Generationen der Steuerchips wurden in dieser Arbeit charakterisiert und auf ihre Strahlenhärte getestet. Ein Konverterchip wurde entwickelt, um den Auslesechip bis zur Fertigstellung des Datenkompressionschips betreiben zu können. Die DEPFET Detektor Module werden ausschließlich aus Silizium-Komponenten aufgebaut. Die Auslese- und Steuerchips werden direkt auf das Detektor-Substrat montiert, welches auch zu deren Verdrahtung verwendet wird. Die sensitive Fläche wird gedünnt, um den negativen Einfluss des Materials auf die Teilchenspuren zu minimieren. Die Flip-Chip Verbindungstechnologie wird verwendet, um die Chips und das Anschlusskabel mit dem Sensor-Substrat zu verbinden. Die Technologie darf die zerbrechlichen und dünnen Detektoren nicht zerstören oder negativ beeinflussen. Verschiedene Methoden wurden analysiert. Die meisten Prozesse sind auf die Verarbeitung von Wafern optimiert und für den Einsatz in der Forschung und Entwicklung ungeeignet. Zwei Verfahren, das gold-stud und das solder ball bumping, erfüllen die Flexibilitätsvoraussetzungen und wurden im Rahmen dieser Arbeit eingesetzt. Mehrere Test-Prototypen wurden mit diesen Verfahren erfolgreich hergestellt. Die Verdrahtung der Flip-Chip montierten Chips mit den DEPFET Zellen und dem Kabel auf dem Detektor-Substrat ist ein weiterer Teil dieser Arbeit. Die DEPFET Technologie erlaubt nur eine begrenze Anzahl Metalllagen. Der hohe Strombedarf und die Dichte der Elektronik erschwert die Verdrahtung zusätzlich. Diese Arbeit liefert einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des neuen, hochauflösenden DEPFET Vertex Detektor Konzepts und hat den Bau des Belle II Pixel Vertex Detektors vorangebracht. (Deutsch)

Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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Kreidl, Christian (2011) Steering electronics, module design and construction of an all silicon DEPFET module. Open Access Mannheim [Dissertation]
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