3D silicon sensors and module assembly for the ATLAS ITk pixel detector

Abstract

L'actualització del Gran Col·lisionador d'Hadrons d'Alta Lluminositat (HL-LHC) presenta reptes sense precedents per als detectors de física de partícules i exigeix una major resistència a la radiació, una velocitat de dades més alta i una granularitat millorada. Per satisfer aquests requisits, l'experiment ATLAS està duent a terme una actualització important del seu sistema de seguiment/traçabilitat intern, l'Inner Tracker (ITk), que inclou un nou detector de píxels totalment de silici. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament, caracterització i muntatge del que probablement sigui el component més crític del Detector de Píxels ITk d'ATLAS: els sensors de píxels de silici 3D més interns i la seva integració en mòduls triplet.

El treball presentat comprèn un estudi exhaustiu dels sensors de silici 3D de diversos fabricants (CNM, FBK, SINTEF), i n'avalua el rendiment tant abans com després de la irradiació per simular l’ambient de radiació extrema del HL-LHC. S’hi descriuen tècniques de caracterització detallades, incloent-hi mesures elèctriques i proves amb feixos de partícules, la qual cosa demostra la robustesa i eficiència d’aquests sensors sota condicions exigents. A més, la tesi aprofundeix en les funcionalitats del xip de lectura front-end de píxels ITk i en destaca les característiques avançades com el sistema d’alimentació en sèrie amb reguladors shunt-LDO integrats i circuits de monitoratge interns.

Una part significativa d’aquesta recerca es dedica al desenvolupament i validació del procediment complex de muntatge dels mòduls triplet, que integren els sensors 3D amb els ASICs de píxels ITk. Això inclou proves de recepció meticuloses (inspecció visual, metrologia, proves elèctriques inicials), l’optimització de tècniques de muntatge (col·locació automatitzada, distribució d’adhesiu, wire bonding) i una avaluació rigorosa del rendiment elèctric posteriors al muntatge. Proves elèctriques completes, incloent-hi l’anàlisi emprant eye diagrams per comprovar la integritat de les dades, calibratge de l’ADC, caracterització del SLDO i l'optimització detallada del rendiment de la matriu de píxels, confirmen la preparació dels mòduls per a la producció a gran escala. La validació exitosa d’aquestes tecnologies avançades i processos de muntatge és crucial per a la construcció del Detector de Píxels ITk d’ATLAS i contribueix directament al potencial de descobriments futurs del HL-LHC.

La actualización del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC) presenta desafíos sin precedentes para los detectores de física de partículas, exigiendo una mayor resistencia a la radiación, mayores tasas de datos y una granularidad mejorada. Para cumplir con estos requisitos, el experimento ATLAS está llevando a cabo una importante actualización de su sistema interno de seguimiento/trazabilidad, el Inner Tracker (ITk), que incluye un nuevo detector de píxeles completamente de silicio. Esta tesis se centra en el desarrollo, caracterización y ensamblaje del que posiblemente sea el componente más crítico del Detector de Píxeles ITk de ATLAS: los sensores de píxeles de silicio 3D más internos y su integración en módulos tríplex.

El trabajo presentado abarca un estudio exhaustivo de sensores de silicio 3D de varios fabricantes (CNM, FBK, SINTEF), evaluando su rendimiento tanto antes como después de la irradiación para simular el entorno extremo de radiación del HL-LHC. Se describen técnicas detalladas de caracterización, incluyendo mediciones eléctricas y pruebas con haces de partículas, demostrando la robustez y eficiencia de estos sensores en condiciones exigentes. Además, la tesis profundiza en las funcionalidades del chip de lectura frontal del detector de píxeles ITk, destacando sus características avanzadas, como el esquema de alimentación en serie con reguladores shunt-LDO integrados y circuitos internos de monitorización.

Una parte significativa de esta investigación se dedica al desarrollo y validación del complejo procedimiento de ensamblaje de los módulos tríplex, que integran sensores 3D con los ASICs de píxeles del ITk. Esto incluye pruebas de recepción meticulosas (inspección visual, metrología, pruebas eléctricas iniciales), la optimización de técnicas de ensamblaje (manipulación y posicionamiento de components, distribución de pegamento, interconexión por hilos entre el chip y pcb) y una rigurosa evaluación del rendimiento eléctrico posterior al ensamblaje. Pruebas eléctricas completas, incluyendo el análisis de diagramas de ojo para la integridad de datos, calibración de ADC, caracterización del SLDO y ajuste detallado del rendimiento de la matriz de píxeles, confirman que los módulos están listos para su producción a gran escala. La validación exitosa de estas tecnologías de vanguardia y procesos de ensamblaje es crucial para la construcción del Detector de Píxeles ITk de ATLAS, contribuyendo directamente al potencial de descubrimiento futuro del HL-LHC.

The High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) upgrade presents unprecedented challenges for particle physics detectors, demanding increased radiation hardness, higher data rates, and enhanced granularity. To meet these requirements, the ATLAS experiment is undergoing a significant upgrade of its inner tracking system, the Inner Tracker (ITk), which includes a new all-silicon pixel detector. This thesis focuses on the development, characterization, and assembly of, possibly, the most critical component of the ATLAS ITk Pixel Detector, the innermost 3D silicon pixel sensors and their integration into triplet modules.

The work presented encompasses a comprehensive study of 3D silicon sensors from various manufacturers (CNM, FBK, SINTEF), evaluating their performance both before and after irradiation to simulate the extreme radiation environment of the HL-LHC. Detailed characterization techniques, including electrical measurements and beam tests, are described, demonstrating the robustness and efficiency of these sensors under challenging conditions. Furthermore, the thesis delves into the functionalities of the ITk Pixel front-end readout chip, highlighting its advanced features such as the serial powering scheme with integrated shunt-LDO regulators and internal monitoring circuits.

A significant part of this research is dedicated to the development and validation of the complex assembly procedure for the triplet modules, which integrate 3D sensors with the ITk Pixel ASICs. This includes meticulous reception tests (visual inspection, metrology, initial electrical tests), the optimization of assembly techniques (pick-and-place, glue distribution, wire bonding), and rigorous post-assembly electrical performance evaluation. Comprehensive electrical tests, including eye diagram analysis for data integrity, ADC calibration, SLDO characterization, and detailed pixel matrix performance tuning, confirm the modules' readiness for large-scale production. The successful validation of these cutting-edge technologies and assembly processes is crucial for the construction of the ATLAS ITk Pixel Detector, contributing directly to the future discovery potential of the HL-LHC.