Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 1 SOMMAIRE R&D changement b-layer Préparations SLHC

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 2 R&D Remplacement de b-layer R=5cm cm -2 1 MeV n après 3 ans Perte de charge collecte ~60-70%,ension de déplétion 600 V, efficacité et résolution réduit, risques de thermal runaway et break-down Remplacement en tout cas en ~2012 Design goals : intermédiaire avant SLHC L = cm -2 sec -1 Améliore la résolution du paramètre d’impact Résistance cm -2 1 MeV n Contrainte: services a PP0 (LV,HV,liquide,gas)

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 3 Préparations SLHC Design luminosity L = cm -2 s -1 Upgrade time Domaine de masse accessible augmenté de  30% (3 TeV pour squarks et gluinos, 6.5 GeV pour de nouveaux bosons vecteurs) Flux R=6-12 cm part/cm 2, nouveaux approches Remplacement de b-layer: pas intermédiaire vers SLHC R=25-50 cm détecteurs pixels standards seront bons, méthodes de réduction des coûts et de la quantité de matière

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 4 Priorité de R&D Réduire matière: overlaps, câbles, DC-DC conversion, alimentation en série … Réduire pixel: 50x200 μm, 50x250 μm, … Tolérance au radiation: 3D Si - meilleur candidat Réduire radii de blayer: de 5cm a 3 cm, redesign de la chambre a vide Simulations physiques Decisions bassees sur simulations: layout, R b-layer, double b-layer, pixel pitch, bricked, matiere, overlaps et efficacite

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 5 H  ZZ   ee + minbias evts cm -2 s cm -2 s cm -2 s cm -2 s -1 LHC/2008… LHC basse luminosité, premières années LHC haute luminosité SLHC

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 6 2 technologies novatrices pour un upgrade  Alternative au détecteur planaires Normal 250 µm de trace, 250 µm de drift « 3D » 250 µm de trace, 50 µm de drift Avantages :- Bien meilleure résistance aux radiations (Tension de déplétion réduite et moins de trapping des charges durant le drift) - Détecteurs actifs jusqu’au bord (« edgeless ») Inconvénient : Beaucoup plus difficile à produire, ce n’est pas un process industriel standard. Détecteurs 3D et interconnection 3D

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 7 Détecteurs « 3D »..  Ce n’est pas de la science-fiction : Détecteur pixel 3D pour chips « Atlas » Résistance aux radiations  Mais l’industrialisation reste à poursuivre …

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 8 2 : Electronique « VSI » Vertical scale intégration Recherche motivée par l’industrie du silicium (IBM, Intel, Philips, Alcatel, Thalès..) (Réduction des RC, augmentation de la densité et des performances)  Idée : Construire une électronique en 3 dimensions

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 9 Electronique VSI  Ce n’est pas non plus de la science fiction :

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 10 Electronique VSI Très haute densité d’interconnexion : /cm2, vias de l’ordre de 1 à 2 µm  Pourrait permettre : Réduction de la taille des pixels Augmentation des performances par choix de la technologie adéquate pour chaque fonction Réduction des zones mortes ( circuits encastrables des 4 cotés)  Mais semble peut-être un peu prématuré pour remplacement de b-layer, chalenge pour SLHC ???? …

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 11 Consortium 3D

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 12 Test avec IBM 0.13 um CMOS Circuit de test avec 7 shift registres chains, SEU testing, 20 analogue part pixels Test jusqu’à 100 Mrad avec protons 55 MeV au LBL sont positive Test SEU avec protons de 24 GeV au PS en mai 2007 par équipe CPPM jusqu’à 240 Mrad Premiers résultats E=24 GeV sont obtenu cette semaine SEU cross-section cm 2 Confirme que TRG_LD (type3,5) registre est meilleur SEU tolèrent

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 13 Participation à la conception du Chip FE Axes de participation au FE-I4 50 μm x 200 μm: –Électronique analogique (LBNL est bien avancé) –Système de lecture pour une luminosité de cm 2 s -1 –Structure logiques simples (DFF …) très tolérantes aux SEU et à la dose totale de 150 Mrad –Structures logiques complexes comprenant des codes de correction d’erreurs –Sources de courant, DACs, Polarisation Concepteurs intéressés : Mohsine Menouni Patrick Pangaud Stéphanie Basolo

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 14 Exemples des R&D mecaniques –Corrosion des tubes d’aluminium –Délamination des structures collées –La thermique des échelles –Les soudures laser des connecteurs –Structures avec prototypage rapide

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 15 Systeme evaporative au CPPM Test des liquides ou mélange alternatives Test des performances thermique des structures

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 16 Approche R&D au CPPM Physique et Simulations Microelectronique Test prototype chip 0.13 μm Design FE chip 0.13 μm (50x200 μm) Design FE chip avec interconnexion 3D (50x100 μm) compatible detecteurs 3D Mécanique, refroidissement légers

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 17 Interets R&D Détecteur interne Reduction du matiere tres importante (surtout due aux cables, structures de support, services…) R&D nécessaire sur l’électronique de lecture et les technologies résistantes aux radiations Simulations (réduction des rayons: 5/3 cm, pitch 150/250 um, réduction de matière) CPPM Réduction de matière (tube Al, structures carbone). CPPM/LPNHE Refroidissement évaporatif C2F6 versus C3F8 CPPM Test SEU et dose totalesous irradiation CPPM Microélectronique FE 0.13 um CPPM-LPNHE Détecteur Si 3D, interconnexion 3D CPPM-LAL-LPNHE

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 18 Spares

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 19 Pour et contre different liquide de refroidissemnt : C 2 F 6 : Enthalpie ~100J/g, (1gs -1.W -1 ), P evap ~ 4bar T crit ~20°C Pression de livraison de fluide (sans pre-refr.) ≥ 30 bar CO 2 : Enthalpie ~280J/g (0.3gs -1.W -1 ), P evap ~7 bar T crit ~30°C Température point-triple ~-56°C (formation de ‘neige’) Pression de livraison de liquide (sans pre-refr.) ≥ 70 bar C 3 F 8 : Enthalpie~100J/g (1gs -1.W -1 ), P evap <1 bar a T crit ~60°C * traitement spécial pour faible pression d’évaporation  But: conservation de la majorité de tuyauterie interne (à l’intérieure des chambres à muons, calo LAr…) par changement de tuyauterie extérieure et repositionnement des condenseurs de USA15 (fond puits) vers la surface (↑92 m) PEUT-ETRE AUSSI NECESSAIRE POUR SYSTEME C 3 F 8 ACTUEL AVEC P evap -25°C ET EXTENSION DE DUREE D’OPERATION DE LA COUCHE B

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 20 ATLAS SCT & Pixels: Principe du système C 3 F 8 Vapeur h.p. Vapeur l.p. Liquide h.p. Liquide l.p. Déverseur/ Back-pressure Regulator (P evap Individuel ) Problème de performance! [limite de vitesse de pompage à un rapport de compression (x17!!) trop élevé!] USA15 Il reste de la place!

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 21 Géométrie de FE chip FE-I3, 2880 ch. 50um x 400 um, région active 7.2 mm x 8.0 mm SLHC, ch., 50 um x 250 um, région active 15.0 mm x16.4 mm

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 22 Organisation microlectronique en cours Groupe de travail est en cours de construction –LBNL- CPPM- Bonn-Nikhef-Genova –Planning Sept 2007 : Définition de l’architecture Janvier 2008 : Première revue de conception –Revue des spécifications –Définition et attribution des sous blocs Sept 2008 : Revue finale de conception Dec 2008 : Soumission du chip FE en technologie IBM 0.13 µm

Pixel R&D et remplacement du couche de b CPPM-LAL 22 juin 2007 A.Rozanov 23 Estimation Resources R&D CPPM ActivitePersonnes 2007 FTE 2007Personnes FTE Physique et simulations Instrumentations, real time Microelectronique Mecanique et refroidissement