Головна/ Статті/ НОВІТНІ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ РІШЕННЯ НАДЛЕГКИХ ДЕТЕКТОРНИХ МОДУЛІВ ДЛЯ ФІЗИЧНИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ

Статті

НОВІТНІ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ РІШЕННЯ НАДЛЕГКИХ ДЕТЕКТОРНИХ МОДУЛІВ ДЛЯ ФІЗИЧНИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ

Одним з головних завдань покращення інформативності експериментів фізики високих енергій є зменшення маси речовини в об’ємі детектування для забезпечення зменшення можливого впливу на параметри часток, що досліджуються. Одночасно, передбачається збільшення інформативності досліджень, а саме роздільної здатності, таких досліджень, що в свою чергу призводить до значного збільшення інформаційних потоків та швидкості передачі та обробки інформації. Вирішення вищенаведених головних завдань удосконалення існуючих та створення новітніх експериментів в галузі фізики можливе за рахунок розробки новітніх конструктивно-технологічних рішень детекторних модулів, які є базовою коміркою сучасних детекторних систем міжнародних фізичних експериментів. Конструктивні та технологічні підходи створення детекторних модулів, головним чином, визначають відповідність головним вимогам щодо маси матеріалу та швидкодії всієї детекторної системи. Досягнення вищенаведених вимог при створенні детекторних модулів можливе при використанні найновітніших напівпровідникових чутливих елементів (сенсорів) та багатошарових елементів комутації з алюмінієвими провідниковими шарами. Предметом даного дослідження є технології створення детекторних модулів з низьким рівнем маси матеріалу в об’ємі детектування з використання надсучасної тонкої напівпровідникової елементної бази. Метою даної роботи є створення та дослідження надлегких детекторних модулів та їх прототипів при високих швидкостях передачі інформації (понад 1Гбіт/с). Для досягнення поставленої мети необхідне вирішення наступних завдань: розглянути існуючі новітні напівпровідникові HV-MAPS сенсори; провести вибір та обґрунтування матеріалу елементів комутації; здійснити вибір структури та технології складання детекторних модулів. За результатами вибору найбільш оптимального методу створення електричних міжз’єднань між компонентами модулю, а саме технології складання, провести аналіз конструктивних та технологічних вимог до детекторних модулів для експерименту Mu3e, який дозволить визначити структуру та склад модулю.

З урахуванням вищеозначених конструктивних особливостей, обраних матеріалів та технологій для відпрацювання та перевірки правильності вибору матеріалів та технології складання розробити та виготовити механічний макет детекторного модулю для експерименту Mu3e та прототип надлегкої багатошарової гнучкої плати для досліджень впливу на передачу сигналу при швидкостях понад 1Гбіт/с. Висновки: при виконанні роботи розроблено, виготовлено та досліджено макети детекторних модулів та тестові багатошарові плати, що підтвердили очікувані результати. Отримані результати досліджень виготовлених зразків дозволяють припустити можливий подальший розвиток робіт в напрямку використання даних підходів при створенні інноваційних детекторних модулів не лише для експерименту Mu3e, а й для експериментів з подібними жорсткими вимогами щодо мінімізації маси матеріалу в об’ємі детектування та високої швидкості проходження сингалів, наприклад модернізація/удосконалення експерименту ATLAS на Великому Адронному Коллайдері у CERN.

Вступ

Незважаючи на значні досягнення останніх років в галузі фундаментальних фізичних досліджень, головним чином обумовлені дослідженнями на Великому Адронному Коллайдері у CERN (Женева, Швейцарія), провідні наукові центри та інститути не зупиняються на досягнутому і працюють над майбутніми удосконаленнями існуючих експериментів та над створенням нових. На сьогоднішній день активно виконуються роботи, спрямовані на модернізацію детекторних установок експериментів ALICE, LHCb, ATLAS на Великому Адронному Коллайдері. Також міжнародною науковою спільнотою створюється ряд нових експериментів, серед яких і експеримент Mu3e, спрямований на дослідження фізики розпаду мюонів.

Одним з найголовніших та найважливіших завдань при удосконаленні існуючих та створенні нових фізичних дослідних установок є вимога до детекторних модулів, які є основною базовою коміркою детекторних установок, щодо забезпечення мінімізації маси речовини в об’ємі детектування, задля підвищення роздільної здатності та інформативності отриманих результатів. При цьому, з урахуванням гігантських обсягів інформації, що зчитується та обробляється безпосередньо при здійсненні досліджень, ще одним важливим завданням є розробка детекторних установок та їх компонентів, що забезпечуватимуть необхідний високий рівень швидкості передачі інформацій (понад Гбіт/с).

Вирішення вищенаведених головних завдань удосконалення існуючих та створення новітніх експериментів в галузі фізики можливе за рахунок використання найновітніших напівпровідникових чутливих елементів (сенсорів) та багатошарових елементів комутації з алюмінієвими провідниковими шарами.

Одним з типів матеріалів елементів комутації, що забезпечують найкращу відповідність вимогам та забезпечують мінімізацію матеріалу в об’ємі детектування, є безадгезивні лакофольгові діелектрики з провідним алюмінієвим шаром та діелектричним поліімідним шаром. Використання елементів комутації на основі алюміній-поліімідних структур дозволяє забезпечити високу технологічність виробів, високу радіаційну стійкість (до 5000 Мрад), що обумовлено малою     щільністю матеріалів ( γAl= 2,7 г/см3 γPi = 1,42 г/см3), широким діапазоном їх робочих температур (200-400 0С), великою радіаційною довжиною ( X0 Al   = 8,7 см, X0 Pi  = 28,4 см), а також стабільністю  електричних  і розмірних характеристик і успішним застосуванням методів УЗ-зварювання з алюмінієвими контактними площинками напівпровідникових приладів.

Постановка задачі та мета досліджень

Одним з найамбітніших фізичних експериментів сьогодення, з точки зору мінімізації маси матеріалу в об’ємі детектування, є експеримент Mu3e, проведення якого планується в Інституті Пауля Шеррера (англ. Paul Scherrer Institute, скор. PSI), що розташований у м. Цюріх, (Швейцарія) на новітній експериментальній установці високої щільності мюонів (англ. a High Intensity Muon Beam, скор. HiMB), що забезпечуватиме інтенсивність потоку мюонів понад 109 мюон/с та забезпечить досягнення головних фізичних завдань експерименту. Особливість експерименту Mu3e є завдання забезпечити надзвичайно низький рівень маси матеріалу на рівні ~0,1% X0 (для кожного шару), що є найкращим показником на сьогоднішній день для існуючих та новостворюваних фізичних експериментів. Для порівняння, аналогічна величина для експерименту ATLAS IBL становить ~1,9% X0 , для існуючого експерименту CMS – ~2,0% X0 , а для модернізованого експерименту CMS становитиме ~1,1% X0 ; для існуючого експерименту ALICE – ~1,1% X0, для модернізованого експерименту ALICE становитиме ~0,3% X0 , та експерименту BELLE II – ~0,2% X0. Ще однією особливістю. Експерименту Mu3e є висока швидкість передачі даних на рівні 1,25 Гбіт/с. Створенням цього експерименту зайняті науковці кількох провідних наукових центрів та інститутів Швейцарії та Німеччини. Головними розробниками детекторної установки експерименту та детекторних модулів є фахівці Інституту Фізики Університету Гейдельбергу (Гейдельберг, Німеччина).

Досягнення такого високого рівня показника матеріалу в об’ємі детектування та швидкості передачі даних можливе лише за рахунок використання надсучасної тонкої напівпровідникової елементної бази, елементів комутації з мінімально можливою масою матеріалу (при відповідності вимогам щодо опору електричних кіл, особливо живлення) та новітніх принципів та підходів до створення та складання детекторних модулів.

Вирішенню вищенаведених завдань, а саме розробці та дослідженню новітніх підходів та технологій створення детекторних модулів з низьким рівнем маси матеріалу в об’ємі детектування, присвячена робота.

Новітні напівпровідникові HV-MAPS сенсори

Як вказано вище, одним з шляхів забезпечення мінімізації матеріалу в об’ємі детектування є використання надсучасної тонкої напівпровідникової елементної бази.

Напівпровідникові сенсори в детекторних системах використовуються в фізиці високих енергій вже понад п’ятдесят років. Основним матеріалом для сенсорів є кремній, завдяки таким властивостям як мала ширина забороненої зони, висока рухливість, досить великий час життя електронно-діркових пар, а також можливість роботи при кімнатній температурі. Для розробки кремнієвих сенсорів і детекторних модулів на їх основі, у фізиці високих енергій вкрай важливими стали дві обставини. По-перше, планарна технологія, яка дозволила створювати на поверхні кремнію досить складні структури; по-друге, поява мікромініатюрних інтегральних мікросхем, які стало можливо розташовувати в безпосередній близькості від сенсорів.

За функціональним принципом кремнієві сенсори розділяються на три основні типи: мікрострипові, дрейфові та піксельні. У зв’язку з тим, що піксельні кремнієві сенсори визначають відразу дві координати події при високій роздільній здатності за рахунок малих розмірів пікселів (десятки мікрон), вони знаходять все більше застосування в детекторних системах в експериментах фізики. Крім того, матричне розташування контактів забезпечує найбільшу щільність монтажу, максимальну кількість контактів на сенсорі. Крім цього, мінімальні перехідні ємності контактів у них кращі в порівнянні з іншими типами комутуючих елементів, що забезпечує працездатність при більш високих тактових частотах зовнішніх інформаційних магістралей, що є одним з найважливіших аспектів при збільшенні інформативності досліджень і, отже, значне збільшення інформаційних потоків. Матрична система виводів створює можливість розташування великої кількості міжз’єднань на обмеженій площі приймачів випромінювань.

Матричні піксельні кремнієві сенсори вперше були застосовані в детекторній системі експерименту ATLAS, який в даний час реалізований на Великому Адронному Колайдері (англ. Large Hadron Collider, скор. LHC) у CERN. Також вони були застосовані в експериментах ALICE і CMS, які також реалізовані на цьому ж прискорювачі. Мабуть, найбільш істотним в детектуючих системах є організація інтерфейсу між сенсором і електронікою зчитування (мікросхеми зчитування та обробки інформації), тобто вони, як правило, представляють собою окремі компоненти, які пов’язані між собою. При створенні детекторних модулів вищеозначених експериментів було використано гібридний підхід створення, а саме пасивні кремнієві піксельні сенсори з’єднувалися з активними мікросхемами обробки за рахунок матричного розташування кулькових виводів типу BGA (англ. Ball Grid Array) на мікросхемах (рис. 1, а). Ця технологія може бути вдосконалена шляхом зменшення товщини, як сенсора, так і мікросхеми, а також за рахунок зменшення кроку комутуючих кульок, наскільки це можливо. Проте, при такому підході для мінімізації маси матеріалу існують технічні та технологічні обмеження, зокрема, крок комутуючих кульок не може бути таким малим, як це необхідно для сучасних детекторів, та товщина напівпровідникових приладів має свої технологічні обмеження.

Щоб вийти за межі цих обмежень і створити систему детектування надзвичайно високого рівня інтеграції та мінімальної товщини матеріалу, було запропоновано революційне рішення цього завдання за рахунок інтеграції сенсору (чутливої частини) і електроніки зчитування в єдиному монолітному кремнієвому чутливому елементі (сенсорі). Такий підхід (рис. 1, б) був прийнятий і успішно реалізований при створенні КМОП монолітних активних піксельних сенсорів (англ. CMOS Monolithic Active Pixels Sensors, скор. MAPS).

піксельний модуль  пиксельный модуль

Рис. 1. Підходи створення піксельних модулів: а) гібридний; б) монолітний

За останні 15 років світовими провідними науковими центрами та інститутами були проведені широкомасштабні розробки і дослідження для створення CMOS MAPS пристроїв. Це дозволило істотно підняти рівень технології створення таких монолітних приладів і зробити можливим їх застосування в детекторних системах стеження і виявлення елементарних частинок в експериментах фізики.

Прикладами практичної реалізації і досягнень у створенні вищевказаних напівпровідникових приладів MAPS типу MIMOSA (рис. 2, а), MISTRAL (рис. 2, б), pALPIDE (рис. 2, в) і MuPix (рис. 2, г).

MAPS МАПС  

Рис. 2. Прототипи MAPS приладів

Найновішою розробкою MAPS є прилади типу HV-MAPS (англ. High Voltage-MAPS), представником яких є MuPix. Схематично HV-MAPS наведено на рис. 3.

HV-MAPS

Рис. 3. Схематичне зображення HV-MAPS.

Особливістю таких HV-MAPS є їх створення звикористанням AMS/IBM 180-нм КМОН комерційного процесу, кваліфікований для "високої" напруги до 120 В. Такий підхід дозволив підвищити швидкодію до 50-100 нс у порівнянні з іншими MAPS приладами, для яких цей показник становить кілька сотень наносекунд. З урахуванням того, що активна область є дуже тонкою, такі прилади можуть бути виготовлені з товщиною на рівні 50 мкм та менше. Вищеозначені особливості HV-MAPS роблять їх ідеально прийнятними для відстеження часток з низьким моментом при дуже високих швидкостях.

Серію прототипів HV-MAPS типу MuPix було досліджено у відповідних лабораторіях групою Mu3e Інституту Фізики Університету Гейдельбергу в тісній співпраці з Іваном Перічем (Інститут Технологій

Карлсруе, Німеччина) та були проведені випробування на пучку в таких наукових центрах як CERN, DESY та PSI. В теперішній час досліджується прототип MuPix 7, який буде використано для створення детекторних модулів експерименту Mu3e.

Вибір та обґрунтування матеріалу елементів комутації.

Як вказано вище, одним із шляхів забезпечення мінімізації матеріалу в об’ємі детектування є використання надсучасної тонкої напівпровідникової елементної бази.

Враховуючи жорсткі вимоги щодо мінімізації матеріалу в об’ємі детектування експерименту Mu3e, якості комутаційних елементів, що відповідають вимогам, обрані багатошарові гнучкі плати на основі безадгезивних лакофольгових діелектриків з алюмінієвим провідним шаром.

Галузь застосування фольгованих діелектриків, як безадгезивних, так і виготовлених з використанням адгезиву, постійно розширюється. Якщо ще кілька десятків років тому основними споживачами таких матеріалів були виробники гнучких друкованих плат, то в даний час вони широко використовуються при виготовленні RFID-антен, різного типу міток для захисту товарів від крадіжок, гнучких друкованих кабелів і шлейфів, гнучких поліімідних носіїв, гнучких терморезисторів, мембран акустичних перетворювачів і навіть фотоелектричних перетворювачів. Важко назвати сучасну галузь науки і техніки, в якій не використовуються фольговані діелектрики. Це, як і раніше, радіоелектроніка, авіація, космонавтика, ядерні дослідження та навіть медицина.

За своєю структурною будовою фольговані діелектрики можуть бути двошаровими (безадгезивні матеріали), тришаровими, що мають структуру "метал – адгезив – полімер", і навіть багатошаровими. Враховуючи радіаційне навантаження на елементи комутації при проведенні фізичних експериментів, нестійкість адгезиву при технологічних процесах виготовлення виробів, необхідність здійснення ультразвукового зварювання плат через отвори в полііміді прийнятними для виготовлення мікрокабелів є лише безадгезивні двошарові фольговані діелектрики.

В даний час безадгезивні фольговані діелектрики виготовляються двома методами - напиленням металевого шару на полімерну плівку і нанесенням рідкого лаку на металеву фольгу з подальшим перетворенням його в полімерну плівку.

Безадгезивні фольговані діелектрики         з напиленим металевим шаром, найчастіше алюмінієвим, використовуються для радіаційного захисту в скафандрах, електромагнітного екранування виготовлення мембран акустичних перетворювачів. Однак, такі металеві плівки мають порівняно малу товщину, як правило близько мікрона, і для виготовлення з них елементів комутації для детекторних модулів непридатні. Важливо також відзначити, що напилення є порівняно дорогим процесом і його використання в технології може істотно підвищити вартість виробів, що виготовляються.

Безадгезивні фольговані матеріали, одержувані нанесенням рідкого лаку на фольгу, виготовляються в РФ ОАТ "НИИ электронных материалов" та ОАТ "Крон". В даний час ними в основному випускаються діелектрики лакофольгові типу ФДИ-АП50 і ФДИ-220 на поліімідній основі із зниженим ступенем імідізаціі. Вони мають товщину алюмінієвої фольги 30 мкм і поліімідної плівки 20 мкм. Однак ці матеріали є нестабільними, мають обмежений гарантійний термін зберігання не більше 6 місяців і дають велику усадку в процесі виготовлення виробів як після стравлювання фольги, так і при проведенні технологічних операцій термообробки. Остання обставина обумовлена тим, що вироби, виготовлені з лакофольгових діелектриків із зниженим ступенем імідізаціі, вимагають обов’язкової фінішної термообробки при температурах порядку 300°С для доведення імідізаціі до повної. Тому при виготовленні з таких матеріалів складних багатовивідних виробів, зокрема мікрокабелів і шлейфів, при їх проектуванні необхідно враховувати попереджувальну поправку на усадку. Проте нестабільність властивостей поліімідної основи цих виробів робить попереджувальне коригування недостатньо ефективним.

Постійне підвищення рівня інтеграції мікросхем, що збираються з використанням гнучких поліімідних носіїв і мікрокабелів, супроводжується збільшенням кількості їхніх виводів до декількох сотень і диктує необхідність зменшення кроку виводів до 80 мкм, а часом і до 50 мкм. Виготовлення таких складних багатовивідних виробів можливо тільки за рахунок істотного підвищення якості та стабільності властивостей лакофольгових діелектриків, а також зменшення товщини алюмінієвої фольги до 14 мкм.

Більш широка номенклатура фольгованих матеріалів представлена ТОВ НВП "Поліком", РФ. Крім вищевказаних матеріалів із зниженим ступенем імідізаціі цим підприємством організований також і серійний випуск ряду фольгованих матеріалів з повним ступенем імідізаціі з товщинами алюмінієвої фольги 14, 20, 25 і 30 мкм, а також нікелевої фольги – 7 мкм і мідної фольги – 20 мкм. Дані матеріали використовуються для виготовлення гнучких поліімідних носіїв, шлейфів, мікрокабелів, мембран акустичних перетворювачів, терморезисторів та інших виробів, що дозволяє обрати їх як основний матеріал для використання при виготовленні елементів комутації детекторних модулів. Важливо також відзначити, що діелектрики, які випускаються ТОВ НВП "Поліком", мають більш високі якісні характеристики за рахунок:

  • обов’язкового проведення очищення, знежирення фольги і обдування (для видалення залишків розчинника і пилу) з метою поліпшення адгезії до неї поліімідної плівки;
  • обов’язкової попередньої фільтрації поліімідного лаку з метою видалення домішок і бульбашок повітря;
  • забезпечення рівномірної та одночасної температурної обробки всього рулону діелектрика, намотаного спільно з стрічкою корекса, з метою гарантованої рівномірності ступеня імідізаціі і відпалювання алюмінію для поліпшення його зварюваності;
  • проведення термообробки у вакуумній камері або печі;
  • доведення ступеня імідізаціі поліімідної плівки до 95 – 100%.

Вибір полімерів діелектричної основи для виготовлення фольгованих діелектриків достатньо широкий. Застосовуються самі різні матеріали: поліетилентерефталат (він   же майлар або   лавсан), поліімід (Kapton різних типів), поліефір, поліефірсульфон, поліпарабанова кислота, гнучкий епоксіпластик і навіть поліетилен. Найбільше поширення набув поліімід внаслідок його виняткової здатності зберігати стабільність властивостей при високих температурах. Крім того, поліімідні плівки характеризуються найціннішими властивостями, такими як:

  • висока електрична міцність (280 - 300 кВ/мм);
  • мала густина (g = 1,42 г/см3);
  • висока радіаційна стійкість (500 - 5000 Мрад);
  • низька діелектрична проникність (ε = 3,5);
  • відносно висока, в порівнянні з другими полімерами, теплопровідність (150 - 180 Вт/мК);
  • висока механічна міцність в поєднанні з еластичністю;
  • температурний коефіцієнт лінійного розширення полііміду майже такий же, як і у металів, що застосовуються для виготовлення виводів гнучких друкованих кабелів, шлейфів і гнучких поліімідних носіїв (алюмінію і міді);
  • поліімідні плівки піддаються травленню в сильнолужних розчинах, що при необхідності дає можливість отримувати в них наскрізні отвори;
  • газовиділення поліімідних плівок незначне, що дозволяє проводити вакуумне напилення на них різних металів і навіть виготовляти багатошарові гнучкі друковані плати.

При використанні алюмінію в якості провідникового шару (товщиною від 14 до 30 мкм) в місцях з’єднання виводів з контактними площадками кристалів утворюється однокомпонентна система Al-Al, що не вимагає створення додаткових виступів на кристалі. У такій монометалічній системі виключається поява інтерметалічних сполук в твердій фазі при експлуатації приладів, в тому числі при підвищених температурах. Важливим є і те, що алюміній, який має малий заряд ядра (Z = 13), не утворює при опроміненні вторинних ізотопів і стійкий до впливу радіації, а при більш низькій, порівняно з міддю провідності, дає виграш за масою приблизно в 2 рази при однаковому номіналі опору провідників.

Важливо також відзначити, що технологія фотолітографічного травлення по алюмінію досить добре відпрацьована.

Відносно висока вартість лакофольгового діелектрика типу алюміній-поліімід обумовлена високою вартістю радіаційностійкої елементної бази, при виготовленні якої, в основному, і застосовуються дані матеріали.

Комплексний огляд та аналіз всіх властивостей можливих матеріалів металевого і полімерного шарів фольгованих діелектриків, а також особливостей напівпровідникових компонентів детекторних модулів дозволяє виділити в якості найбільш прийнятного при виготовленні елементів комутації детекторних модулів безадгезивний діелектрик типу алюміній-поліімід з повним ступенем імідізаціі. Це лакофольгові діелектрики типу ФДІ-А різних марок (ФДІ-А-24 і ФДІ-А-50), що виготовляються ТОВ НВП "Поліком".

Використання таких матеріалів дозволяє:

  • забезпечити високу надійність зварних з’єднань за рахунок утворення монометалічного з’єднання Al-Al, що не потребує створення додаткових виступів на кристалі;
  • забезпечити широку номенклатуру товщин, як провідникового шару алюмінію (14, 20, 25 і 30 мкм), так і поліімідної основи, чим суттєво розширює можливості розробників при проектуванні виробів з даних матеріалів;
  • забезпечити можливість складання компонентів детекторних модулів, як ультразвуковим зварюванням, так і, при необхідності, пайкою після додаткової обробки алюмінієвих виводів за відомим способом або електрохімічної обробкою;
  • підвищити щільність монтажу за рахунок зменшення ширини виводів виробів до 3040 мкм і їхнього кроку до 5080 мкм;
  • забезпечити можливість роботи елементів комутації в умовах теплових і радіаційних навантажень.

Варто відзначити обставину, що на сьогоднішній день наявні для використання лише кілька типів безадгезивних лакофольгових діелектриків (ФДІ-А-20, ФДІ-А-24 та ФДІ-А-50) з товщиною алюмінієвого шару 10-30 мкм, а поліімідного – 10-20 мкм, які можуть бути використані для виготовлення шарів одно- та багатошарових гнучких мікрокабелів та плат, це накладає певні обмеження на їх використання (особливо при необхідності забезпечення меншого опору провідникових структур, що може бути реалізовано лише за рахунок збільшення товщини алюмінієвого провідного шару). Враховуючи такі обставини в теперішній час фахівцями ТОВ "Світлодіодні технології Україна" та Харківського національного університету радіоелектроніки, здійснюється ряд конструкторсько-технологічних робіт та технологічних досліджень, спрямованих на розробку технології виготовлення безадгезивних алюміній-поліімідних лакофольгових матеріалів з використанням вихідної алюмінієвої фольги різної товщини. В теперішній час проводяться дослідження створення матеріалу з товщиною алюмінієвої фольги 15, 50 та 100 мкм, що обумовлено наявною необхідність використання таких матеріалів для створення компонентів детекторних модулів для експериментів фізики високих енергій, а саме для модернізованої Внутрішньої трекової системи експерименту ALICE та CBM. При цьому реалізація діелектричного поліімідного шару передбачається за рахунок використання рідких поліімідних лаків типу АД-9103 та PureML-5069, що забезпечуватиме товщину діелектричного шару в межах 550 мкм. Роботи по створенню безадгезивного лакофольгового матеріалу з товщиною алюмінієвої фольги 15 мкм проводяться спільно з фахівцями наукового центру GSI (Дармштадт, Німеччина) та Інституту Фраунгофера (Дрезден, Німеччина). Варто відзначити, що однією з особливостей вищеозначених робіт зі створення безадгезивних матеріалів, є роботи спрямовані на створення безадгезивних алюміній-поліімідних матеріалів з алюмінієвої фольги з діелектричним поліімідним шаром з обох боків. Матеріали такого типу на сьогоднішній день відсутні, враховуючи конструктивні та технологічні вимоги до компонентів детекторних модулів, такі матеріали дозволятимуть реалізувати нові конструктивні та технологічні підходи до створення детекторних модулів та їх компонентів.

З урахуванням вимог щодо мінімізації матеріалу в об’ємі детектування експерименту Mu3e, високої щільності розташування контактних площинок компонентів детекторних модулів, а, відповідно, і високої щільності розташування провідників на елементах комутації та вищеописаних переваг лакофольгових безадгезивних матеріалів у якості комутаційних елементів детекторних модулів обрано багатошарові гнучкі плати з провідниковими шарами на основі лакофольгового діелектрику типу ФДІ-А-24. Використання лакофольгового діелектрику типу ФДІ-А-24 у якості матеріалу для виготовлення компонентів (одно- та багатошарових елементів комутації) детекторних модулів експерименту Mu3e перевірено та підтверджено розробкою, виготовленням, дослідженням та впровадженням у виробництво подібних виробів для експериментів фізики високих енергій, а саме для ALICE, CBM та LHCb.

Вибір технології складання детекторних модулів

При розробці високотехнологічних виробів, якими є детекторні модулі, надзвичайно важливим є вибір найбільш оптимального методу створення електричних міжз’єднань між компонентами модулю, а саме технології складання.

Порівняльна характеристика параметрів електричних з’єднань, виконаних різними методами, наведена в табл. 1. Паяні електричні з’єднання знайшли найширше застосування завдяки наступним перевагам: низькому і стабільному електричному опору, широкій номенклатурі металів, що сполучаються, легкості автоматизації, контролю та ремонту. Недоліки паяних з’єднань пов’язані з високою вартістю використовуваних кольорових металів, необхідністю видалення залишків флюсу, низькою термостійкістю. Зварні електричні з’єднання порівнянні з паяними сполуками мають наступні переваги: більш висока механічна міцність, відсутність присадочного матеріалу, менша площа контакту. До недоліків слід віднести: критичність при виборі поєднань матеріалів, збільшення перехідного опору через утворення інтерметалідів, складність групового контактування і ремонту.

Таблиця 1. Параметри електричних з’єднань

Вид з’єднання

Перехідний опір, мОм

Міцність, МПа

Інтенсивність відмов,

1·10-9 год–1

Тепловий опір,

°С/Вт

Зварювання

0,01 – 1

100 – 500

0,1 – 3,0

0,001

Накручування

1 – 2

60 – 80

0,2 – 0,5

0,0005

Паяння

2 – 5

40 – 50

1–10

0,002

Обжимання

1–10

20 – 50

2 – 5

0,001

Струмопровідним клеєм

(1 – 10) Ом·м

5–10

50

5,0

Дуже важливим фактором при розробці та створенні високотехнологічних детекторних модулів, якими є модулі експерименту Mu3e, є вибір оптимального методу створення електричних міжз’єднань компонентів детекторних модулів для забезпечення відповідності досить жорстким вимогам при гарантуванні високої довгострокової надійності.

З огляду на вимоги і особливості конструктивно-технологічних рішень піксельних детекторних модулів, використання напівпровідникових HV-MAPS сенсорів та безадгезивних лакофольгових алюміній-поліімідних діелектриків, для створення модулів експерименту Mu3e було обрано автоматизоване ультразвукове контактне мікрозварювання, що дозволяє здійснювати високонадійне автоматизоване з’єднання алюмінієвих плоских стрічкових виводів гнучких комутаційних плат до контактних площинок кремнієвих піксельних сенсорів за допомогою ультразвукового зварювання. Ця технологія отримала назву SpTAB (Single point Tape Automated Bonding).

Основні варіанти реалізації міжелементних з’єднань SpTAB технологією схематично наведено на рис. 4.

а)гнучка плата                                     б)гнучка плата та MAPS

Рис. 4. Схематичне зображення міжелементних з’єднань, створених SpTAB технологією: а) між шарами гнучкої плати; б) між гнучкою платою та HV-MAPS.

 

Sp-TAB технологія була успішно застосована авторським колективом при створенні мікрострипових і дрейфових детекторних модулів для діючої в даний час внутрішньої трекової системи в експерименті ALICE.

Вищевказана технологія має істотні переваги, основними з яких є:

  • використання цієї технології для безпосереднього з’єднання шарів багатошарових гнучких комутаційних плат між собою і з контактними площинками HV-MAPS (відсутність необхідності використання дротяних перемичок);
  • ультразвукове зварювання алюмінієвих виводів гнучких комутаційних плат до алюмінієвих
  • контактних площинок HV-MAPS забезпечує однорідність, високонадійне та механічно стабільне з’єднання;
  • відсутність важких металів (Au, Sn), присутніх при пайці;
  • відсутність необхідності облужування контактних площинок напівпровідникових приладів, що дозволяє зменшити витрати на їх виготовлення;
  • можливість використання стандартного промислового автоматизованого обладнання для основних процесів складання (зварювання, приклеювання і інкапсуляція).

Експериментальні дослідження та отримані результати

Експериментальні дослідження створення детекторних модулів для експерименту Mu3e включали в наступні основні етапи:

  • визначення структури та складу детекторного модулю;
  • розробка, виготовлення компонентів та складання механічного макету детекторного модулю для перевірки правильності вибору матеріалів та технології складання;
  • розробка, виготовлення та дослідження багатошарової тестової плати при швидкості передачі інформації 1,25 Гбіт/с;
  • аналіз отриманих даних.

Структура та склад детекторного модулю

Проведений аналіз конструктивних та технологічних вимог до детекторних модулів експерименту Mu3e дозволив визначити структуру (поперечний переріз наведено на рис. 5) та склад модулю.

структура детекторного модуля

Рис. 5. Структура детекторного модулю

Вищеописана     структура, що визначалась з урахуванням матеріалів, які виробляються промислово, дозволила забезпечити показник матеріалу в об’ємі детектування на рівні ~0,115% X0.

Щодо особливостей складу детекторного модуля варто відзначити наступні особливості:

  • передбачено використання детекторних модулів двох типів: для внутрішніх піксельних шарів (inner pixel layer), що міститимуть 6 HV-MAPS та для зовнішніх шарів (outer pixel layer), які міститимуть 9 HV-MAPS;
  • нижній шар багатошарової гнучкої плати містить, головним чином, сигнальні кола й кола живлення та виготовляється з алюміній-поліімідного діелектрику типу ФДІ-А-24 (алюміній 14 мкм, поліімід 10 мкм);
  • верхній шар містить кола живлення та також виготовляється з алюміній-поліімідного діелектрику типу ФДІ-А-24;
  • для забезпечення необхідної величини імпедансу передбачено використання діелектричної прокладки з поліімідної плівки товщиною 25 мкм.

Розробка механічного макету детекторного модулю

урахуванням вищеозначених конструктивних особливостей, обраних матеріалів та технологій для відпрацювання та перевірки правильності вибору матеріалів та технології складання було розроблено та виготовлено механічний макет детекторного модуля для експерименту Mu3e. Для складання модулю було використано тришарову плату (рис. 6, а) на основі безадгезивного лакофольгового діелектрику (провідні шари) й поліімідної діелектричної прокладки, та макети HV-MAPS й друковану жорстку плату. Складений механічний макет модуля наведено на рис. 6, б.

а) макет детекторного модуля    б) детекторный модуль

Рис. 6. Механічний макет детекторного модуля: а) гнучка тришарова плата; б) складений механічний макет модуля

Створений механічний макет детекторного модулю підтвердив правильність обраних матеріалів та технології складання.

Розробка тестової багатошарової гнучкої плати

Для виконання наступного етапу досліджень було проведено розроблення, виготовлення та складання спеціалізованої тестової плати для дослідження проходження сигналів за швидкості 1,25 Гбіт/с та впливу плати на передачу сигналу.

Тестову плату розроблено з урахуванням обраної структури з двома провідниковими шарами на основі безадгезивного лакофольгового діелектрику та поліімідної діелектричної прокладки (рис. 7, а). Після виготовлення шарів та безпосередньо складання багатошарової плати було здійснено монтаж багатошарової плати на спеціально розроблену жорстку друковану плату (рис. 7, б). Після монтажу гнучкої плати на жорстку друковану плату було здійснено монтаж ВЧ роз’ємів (рис. 7, в).

багатошарова плата для досліджень  тестова плата

Рис. 7. Тестова багатошарова плата для досліджень: а) тестова плата; б) плата змонтована на друковану плату; в) фрагмент плати із змонтованими роз’ємами

Дослідження та аналіз отриманих результатів

Для оцінки функціонування тестової плати при швидкості передачі інформації 1,25 Гбіт/с в Інституті Фізики Університету Гейдельбергу були проведені відповідні дослідження глазкової діаграми (Eye Diagram), яка наведена на рис. 8.

Глазкова діаграма

Рис. 8. Глазкова діаграма тестової плати

Дослідження проводились при швидкості передачі сигналів 1,25 Гбіт/с та заданому рівні параметру прийняття помилкового біту інформації (англ. Bit Error Ratio, скор. BER), що становив BER < 2∙10−13 при довірчій ймовірності (параметр CL) 95%. Отримані результати були позитивними і бітових помилок не було відзначено.

Продовжені дослідження для швидкості проходження сигналу на рівні 2,5 Гбіт/с також показали позитивні результати та відсутність бітових помилок (за BER < 3∙10−13 при CL=95%.), що дозволило зробити висновок про можливість використання таких гнучких багатошарових плат не лише на швидкості передачі сигналів 1,25 Гбіт/с, що вимагається для реалізації в експерименті Mu3e, а й у інших експериментах з більшою швидкістю передачі сигналів.

Висновки

Стрімкий розвиток рівня техніки і технологій, особливо мікроелектроніки, а також підвищення вимог до детекторних систем в міжнародних експериментах фізики елементарних частинок є дуже значним поштовхом для розробки новітніх конструктивно-технологічних рішень детекторних модулів. Одним з найамбітніших експериментів є експеримент з дослідження мюонів Mu3e, що відзначається надвисокими вимогами щодо мінімізації маси матеріалу в об’ємі детектування (~0,1% X0 ) та планованою швидкістю передачі сигналів на рівні 1,25 Гбіт/с. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження показали, що при використанні надсучасних тонких HV-MAPS типу MuPix товщиною 50 мкм та багатошарових плат з провідниковими шарами на основі алюміній-поліімідних безадгезивних фольгових діелектриків типу ФДІ-А-24 та діелектричної прокладки можливо досягнути показника маси матеріалу в об’ємі детектування на рівні ~0,115% X0 . При цьому дослідження проходження сигналу через тестові багатошарові плати показали позитивні результати (відсутність бітових помилок) не лише на швидкості 1,25 Гбіт/с, але й для 2,5 Гбіт/с.

При виконанні роботи розроблені, виготовлені та досліджені макети детекторних модулів та тестові плати для досліджень, що підтвердили очікувані результати. Отримані результати досліджень виготовлених зразків дозволяють припустити можливий подальший розвиток робіт в напрямку використання даних підходів при створенні інноваційних детекторних модулів не лише для експерименту Mu3e, а й для експериментів з подібними жорсткими вимогами щодо мінімізації маси матеріалу в об’ємі детектування та високої швидкості проходження сингалів, наприклад модернізація/удосконалення експерименту ATLAS на LHC у CERN.

Окрім вищенаведеного варто відзначити, що отримані результати дозволять показати наявність комерційного наукового вітчизняного потенціалу, наразі у Харківському національному університеті радіоелектроніки та ТОВ "Світлодіодні технології Україна" (м. Харків, Україна), у створенні сучасних мікроелектронних комутаційних елементів на основі лакофольгових діелектриків з алюмінієвою комутацією та технологій їх складання з надсучасною напівпровідниковою елементною базою, придатних для використання в конструкціях високотехнологічних систем детектування для міжнародних експериментів в галузі фізики. Роботи у напрямку створення новітніх високотехнологічних детекторних модулів і їх компонентів сприяють значній інтеграції та подальшому поглибленню співпраці українських вчених та інженерів з провідними європейськими дослідними центрами та інститутами, що ще значною мірою поглиблює інтеграцію України до Європейської наукової співдружності.

 

Повна версія статті, автори та література.