Università degli Studi di Genova. Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali

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1 Università degli Studi di Genova Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Parte sperimentale della Tesi per la prova finale del Corso di Laurea in Fisica A.A Caratterizzazione dell assemblaggio dei rivelatori dell esperimento ATLAS Candidato: Francesco Vernocchi Relatore: Prof. P. Corvisiero Anno Accademico 2002/2003

2 A mia figlia Virginia Progetto di lavoro Realizzazione di uno strumento automatico ad alta precisione per l incollaggio dei moduli del rivelatore a pixel di Silicio di ATLAS. Descrizione della ricerca: Nell accumulatore LHC in via di costruzione presso i laboratori CERN di Ginevra si produrranno interazioni protone-protone di altissima energia. I prodotti di queste reazioni saranno studiati da tre esperimenti (ATLAS, CMS, LHCb), al fine di individuare particelle previste dal Modello Standard e da modelli supersimmetrici. In ATLAS, il gruppo di Genova sta lavorando alla progettazione e realizzazione di un rivelatore di tracce ad altissima precisione, costituito da rivelatori a stato solido a pixel. Le attività specifiche del gruppo sono: progettazione di un circuito integrato radiation-hard detto Circuito di Controllo del Modulo (MCC); assemblaggio degli elementi costituenti il rivelatore a pixel e loro certificazione di funzionamento; progettazione, montaggio e certificazione dei supporti meccanici dei rivelatori per il loro posizionamento all interno dell apparato dell esperimento. Il rivelatore è costituito da sensori di Silicio con elementi sensibili di 50x400 µm 2 disposti su tre cilindri (barrel) e sei dischi, che assicurano una copertura angolare completa all interno di una significativa regione cinematica. Elemento fondamentale del rivelatore è il modulo, composto dal sensore, un wafer di Silicio di dimensioni 16x60x0.25 mm 3 strutturato in circa pixel, su cui è direttamente saldata (con tecnologia flip-chip) l elettronica di front-end. Questa acquisisce i segnali dei sensori ed è organizzata in 16 chip gestiti nel loro complesso dal MCC che trasmette i segnali ai circuiti remoti di acquisizione. L equipaggiamento completo del rivelatore richiede moduli, equivalenti a circa 10 8 canali di lettura. 2

3 I cilindri del rivelatore sono frammentati in barre contigue (stave) inclinate e parzialmente sovrapposte, al fine di ottenere l ermeticità per i segnali delle particelle prodotte. Su ogni stave sono sistemati 13 moduli contigui. Le barre di supporto sono in materiale composito (Carbon-Carbon) di dimensioni 800x20x0.25 mm 3 e peso 30 g. Sulla faccia superiore sono incollati i moduli. Sulla faccia opposta è incollato un profilato in materiale composito contenente il tubo in cui scorre il liquido di raffreddamento dei moduli. Mediante appositi supporti, lo stave può essere bloccato con viti e spine agli utensili di lavorazione e di misura e, in seguito, sulla struttura dell apparato sperimentale ATLAS. Due sfere di vetro incollate alle estremità dello stave consentono di definire il sistema locale di riferimento. I moduli devono essere incollati sullo stave con una precisione confrontabile con la granularità tipica del rivelatore, ovvero tra i 10 e i 30 µm in tutte le direzioni. In particolare occorre controllare che lo spessore della colla sia compreso tra 60 e 100 µm e che la colla non entri nello spazio tra i front-end per non perturbare le condizioni di lavoro dell elettronica. Questa operazione di incollaggio, che deve essere ripetuta per il montaggio di tutti i moduli, richiede precisione e stabilità ottenibili unicamente da un dispositivo automatico e necessita di elevate attenzione e delicatezza poiché il modulo è un oggetto particolarmente fragile, con circuiti integrati nudi e saldature con wirebonding non protette. A Genova si sta progettando e sviluppando un robot, che, controllato da LabView installato in un PC Windows, esegua la procedura di montaggio ed incollaggio. L unica operazione manuale prevista è il posizionamento del modulo da incollare sul piano di riferimento, in cui una battuta meccanica assicura una precisione di qualche µm. Il corretto allineamento è comunque verificato da un ispezione con microscopio ottico. Il modulo è raccolto mediante aspirazione dalla testa (vedere figura 1), e con movimenti motorizzati di tre carrelli lineari e di una tavola rotante ad altissima precisione posizionato sullo stave. Questo, a sua volta, è mosso sotto la testa di incollaggio da un movimento lineare motorizzato e da una tavola rotante. Un distributore di colla con comando remoto provvede all operazione di incollaggio vera e propria (vedere figura 2). Il sistema completo (stave con i 13 moduli) sarà testato elettricamente alla temperatura di funzionamento (-10 0 C) e successivamente certificato con le verifiche dimensionali eseguite nel centro di misura dell officina meccanica della Sezione INFN. Infine, per verificarne la robustezza e la stabilità, sarà necessario sottoporlo a cicli termici che simulino gli stessi stress meccanici e termici che sopporterà durante tutto il tempo effettivo di lavoro nell apparato di ATLAS (vedere figura 3). 3

4 Fig. 1: Particolare della testa di movimentazione del robot di incollaggio Fig. 2: Fase della distribuzione della colla. 4

5 Fig. 3: Due moduli incollati sullo stave Le misure elettriche e termiche dei moduli incollati sullo stave. Con il Dott. Dameri ho seguito tutte le fasi di progettazione, sviluppo ed assemblaggio del robot di incollaggio. Terminate le prove necessarie per le caratterizzazioni della macchina e la messa a punto del protocollo di incollaggio, nel Novembre del 2003, abbiamo iniziato a operare con moduli reali. Tre moduli funzionanti sono stati preparati, testati e successivamente incollati con il robot su uno stave. Completati gli incollaggi, i moduli sullo stave sono stati ricontrollati elettronicamente per verificarne il funzionamento e rivelare i possibili difetti conseguenti alla loro manipolazione. Tutte le misure non hanno evidenziato grossi problemi. Il nostro sistema di test è costituito da un PC Windows con software dedicato, un sistema basato su VME e varie carte elettroniche progettate dalla collaborazione di ATLAS ed una cold-box. Le misure della corrente di bias, la corrente di polarizzazione inversa del rivelatore (vedere figura 4) e del noise (vedere figura 5), misure correlate a danni meccanici (danni al sensore, distacco dei bumps tra i pixels e l elettronica di front-end), non mostrano significative variazioni a seguito della lavorazione. Le manipolazioni del robot possono essere certificate idonee all assemblaggio degli elementi del nostro rivelatore. 5

6 Fig. 4: Misura delle correnti di bias. Fig. 5: Misura del noise 6

7 Terminate le prove elettriche, siamo passati alle verifiche termiche del nostro prototipo. Lo stave è stato collegato ad un Lauda, una macchina frigorifera che raffredda una miscela liquida e tramite una propria pompa ne permette la circolazione in un circuito esterno. Il sistema è stato portato ad una temperatura di 10 0 C ed è stato analizzato con una termocamera a raggi infrarossi. Le misure sono state fatte accendendo un modulo alla volta e al massimo del loro consumo elettrico (circa 3 Watt) e acquisendo immagini sia con l alimentazione spenta che accesa, per confrontare ed eliminare tutti gli effetti ambientali (riflessioni, fondo e rumore). L analisi e la valutazione delle termofoto (vedere figure 5,6,7) confermano i seguenti risultati: La temperatura dei moduli è uniforme su tutta la superficie a riprova di un corretto ed uniforme strato di colla sotto i moduli. Il T tra la temperatura del fluido (assumendo essere la stessa quando il modulo è spento) e i moduli accesi è rispettivamente per i tre moduli di C, C, C per Watt. Le misure assicurano che gli scambi termici del sistema completo (tubo, stave, colla e i contatti termici delle singole parti) ricadono nelle specifiche richieste e permettono di mantenere il modulo funzionante alla temperatura di lavoro ottimale. Fig. 6: Misure termiche primo modulo 7

8 Fig. 7: Misure termiche secondo modulo Fig. 8: Misure termiche terzo modulo 8

9 Infine con l utilizzo di un microscopio, analizzando una sezione trasversale (vedere figura 9), abbiamo misurato lo spessore dello strato di colla sotto un modulo per verificarne la corrispondenza alle specifiche (vedere tabella 1). Le misure sono in micron con un errore di ~ 10 µm. Chip 0 88 µm Chip 2 66 µm Chip 4 56 µm Chip 6 66 µm Chip 8 66 µm Chip µm Chip µm Chip µm Chip µm Tab. 1: Misura spessore colla Anche quest ultima misura conferma la qualità della deposizione dello strato di colla al di sotto del modulo e quindi la corretta procedura di distribuzione (vedere figura 2). Fig. 9: Misura dello spessore di colla Naturalmente ci sono ancora alcuni problemi da risolvere, ma il nostro gruppo si appresta ad iniziare la produzione in sede di 40 staves completi (con 13 moduli ciascuno) per la realizzazione del rivelatore di vertice di ATLAS. Il gruppo ATLAS di Genova è numeroso, ma volevo menzionare chi direttamente è impegnato in questa attività: Prof. C. Caso, Dott. M. Dameri, Dott. G. Darbo, Dott.ssa C. Gemme, Prof.ssa B. Osculati, Dott. L. Rossi, e tutto il personale tecnico dell INFN che collabora con l esperimento. 9