Quality of ALICE SSD modules revealed by electrical tests

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is an experiment at CERN (European Organization for Nuclear Research), where a heavy-ion detector is dedicated to exploit the unique physics potential of nucleus-nucleus interactions at LHC (Large Hadron Collider) energies. In a part of that project, 716 so-called type V4 modules were assembles in Detector Laboratory of Helsinki Institute of Physics during the years 2004 - 2006. Altogether over a million detector strips has made this project the most massive particle detector project in the science history of Finland. One ALICE SSD module consists of a double-sided silicon sensor, two hybrids containing 12 HAL25 front end readout chips and some passive components, such has resistors and capacitors. The components are connected together by TAB (Tape Automated Bonding) microcables. The components of the modules were tested in every assembly phase with comparable electrical tests to ensure the reliable functioning of the detectors and to plot the possible problems. The components were accepted or rejected by the limits confirmed by ALICE collaboration. This study is concentrating on the test results of framed chips, hybrids and modules. The total yield of the framed chips is 90.8%, hybrids 96.1% and modules 86.2%. The individual test results have been investigated in the light of the known error sources that appeared during the project. After solving the problems appearing during the learning-curve of the project, the material problems, such as defected chip cables and sensors, seemed to induce the most of the assembly rejections. The problems were typically seen in tests as too many individual channel failures. Instead, the bonding failures rarely caused the rejections of any component. One sensor type among three different sensor manufacturers has proven to have lower quality than the others. The sensors of this manufacturer are very noisy and their depletion voltage are usually outside of the specification given to the manufacturers. Reaching 95% assembling yield during the module production demonstrates that the assembly process has been highly successful.

Osana CERNiin valmistuvan LHC-kiihdyttimen mittausjärjestelyjä Fysiikan tutkimuslaitoksen ilmaisinlaboratoriossa toteutettiin vuosina 2004-2006 Suomen historian suurin hiukkasilmaisinhanke ALICE-koetta varten ; yli 700 piinauhailmaisinmodulia tuotettiin yhteistyössä ukrainalaisten liitostekniikan asiantuntijoiden kanssa. Yksittäisten säteilynilmaisimien lukumäärä moduleissa ylitti miljoonan. Valmis moduli koostuu kaksipuoleista piinauhailmaisimesta, kahdesta hybridistä, joihin kumpaankin on liitetty kuusi lukuelektroniikkapiiriä ja pintaliitostekniikalla asennettuja passiivisia komponentteja. Komponenttien väliset liitokset on toteutettu ohuilla mikrokaapeleilla ja ns. TAB-menetelmällä. Luotettavan toiminnan varmistamiseksi ja mahdollisten ongelmien kartoittamiseksi sähköisiä testejä toteutettiin lukuisia: mikropiiri, hybridi ja kokonainen moduli testattiin vertailukelpoisilla tavoilla tuotannon eri vaiheissa ja komponentit hyväksyttiin käyttöön tai hylättiin eri yhteistyötahojen kesken sovittujen rajojen mukaisesti. Tässä työssä keskitytään kehystetyn mikropiirin, hybridin ja valmiin modulin testituloksien tulkintaan. Mikropiirien kokonaistuotoksi saatiin 90,8%, hybridien 96,1% ja moduleiden 86,2%. Saatuja testituloksia tarkastellaan niiden ongelmien valossa, joita asennuksen aikana tiedetään olleen. Tuotannon alkuaikojen ongelmien ratkettua materiaalin laadusta johtuneet ongelmat, erityisesti mikrokaapeleiden ja sensoreiden ajoittainen huono laatu, olivat pääsyy hylkäyksiin. Ongelmat ilmenivät testeissä yleensä liian suurena määränä yksittäisiä huonoja kanavia. Sen sijaan huolellista prosessikehitystä vaativat ultraääniliitokset eivät merkittävästi aiheuttaneet hylkäämisiä missään asennusvaiheessa. Kolmesta eri ilmaisinvalmistajasta yhden valmistajan ilmaisimet olivat selvästi heikkolaatuisempia kuin muut. Tämän valmistajan ilmaisimet olivat erittäin kohinaisia ja niiden tyhjennysjännite oli useimmiten valmistajille annettujen spesifikaatioiden yläpuolella. Tuotannon aikana modulien kokonaistuotto ylitti parhaimmillaan 95% rajan, minkä voi katsoa osoittavan modulituotantoprosessin itsessään olleen laadukasta.