Quality of the CMS tracker end cap silicon strip modules

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN soll 2007 in Betrieb genommen und 10 Jahre lang für Experimente verwendet werden. Der Compact Muon Solenoid (CMS), ein so genanntes ”multi purpose” Experiment, ist eines der vier großen Experimente am LHC. Der Bau des Siliziumdetektors von CMS benötigte mehr als 15.000 Detektormodule mit ungefähr 24.000 grossflächigen Silizium Sensoren. Diese Diplomarbeit wurde am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) in Wien verfasst und beschäftigt sich mit der Qualitätssicherung wärend der Produktion der 6.400 Detektor Endkappen (TEC) Module des CMS Siliziumdetektors. Die wichtigsten Schritte bei der Produktion dieser Module, bei der unser Institut einen wichtigen Beitrag geleistet hat, sind Eingangstests der industriell hergestellten Einzelteile, deren präziser Zusammenbau, Bonden der elektrischen Verbindungen und die abschließenden Funktionalitätstests der fertigen Module. Nach einem Überblick über den LHC und das CMS Experiment werden die Eigenschaften von Silizium-Streifen Sensoren und die Bestandteile der Detektormodule beschrieben. Abschließend wird die Qualitätssicherung wärend der Modulproduktion und deren Ergebnisse präsentiert. Am HEPHY wurden alle Ring 2 Detektormodule der beiden Detektor Endkappen produziert. Meine Arbeit begann mit einem Genauigkeitsproblem beim Modulzusammenbau, das gelöst werden konnte. Zeitgleich übernahm ich die Verantwortung für die Tests der Rahmen, der Front End Hybride und der fertigen Module. Dabei half ich die Feineinstellungen des Fehleranalyse-Algorithmus der Testsoftware für die Hybrid- und Modultests zu verbessern. Kaputte Hybride und Module wurden, wenn möglich, von mir repariert. Weiters habe ich die Probleme mit dem Leitkleber an der Sensorrückseite untersucht und eine Lösung entwickelt. Später fing ich an die Qualität der gesamten TEC Modulproduktion zu überwachen und mir die kaputten Module genauer anzusehen. Das HEPHY entwickelte sich zum ”TEC Module Repair Center” und zerlegte außerdem alle Module bei denen nur noch der Sensor gerettet werden konnte. Gemeinsam mit Marko Dragicevic und Thomas Bergauer wurden alle kaputten Module charakterisiert und mithilfe einer speziell erzeugten Datenbank eine Statistik produziert. Schlussendlich wurde die Aufgabe der Charakterisierung und Reparatur von Ersatzmodulen von mir übernommen.

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN, a 2×7 TeV proton-proton collider, is planned to be operable in 2007 and will run for at least 10 years. The Compact Muon Solenoid (CMS), a huge multipurpose detector, is one of the four major experiments at the LHC. The construction of the Inner Tracker of CMS required more than 15.000 silicon micro-strip detector modules including about 24.000 large area silicon strip sensors. This diploma thesis has been composed at the Institute for High Energy Physics (HEPHY) of the Austrian Academy of Sciences [1]. It reviews the quality assurance for the 6.400 silicon micro-strip detector modules, built of one or two silicon strip sensors, in the Tracker End Caps (TEC), one out of four subsystems of the Inner Tracker. In the production laboratories, including our institute, the main steps during the fabrication of these modules are reception tests of the industrially produced module parts, their precise mechanical assembly, application of thin wire micro-bond connections and electrical functionality tests of the finalised modules. This diploma thesis begins with a short overview of the Large Hadron Collider taking a deeper look at the CMS experiment. Then an overview of silicon sensors and the basic elements of the TEC silicon strip modules are provided. Afterward the quality assurance program during the module production and its results are presented. At HEPHY Vienna the complete production of the Tracker End Cap Ring 2 modules was performed. My first task was to review the module assembly precision at our institute, where some problems had to be solved. At the same time I became responsible for the testing of the frames and front-end hybrids before the module assembly and the tests of the finalised modules. This included the fine-tuning of the cuts for the fault finding algorithm of the automated setup for the hybrid and module tests and the repair of different faults. I investigated the problem of the conductive glue on the sensor backplane and developed a solution. Later on I started to monitor the quality of the whole TEC module production and to supervise the repairs and the sensor recuperation of the faulty modules together with Marko Dragicevic and Thomas Bergauer. We characterised every faulty module and with the help of a specially created data base we could produce a statistic on them. Finally I became responsible for characterising and repairing of the TEC spare modules.