Version Mai TECHNISCHE SPEZIFIKATIONEN FÜR DIE TT PITCH ADAPTER PRODUKTION UND HYBRID-MONTAGE DES LHCb-EXPERIMENTS

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1 Version Mai 2005 TECHNISCHE SPEZIFIKATIONEN FÜR DIE TT PITCH ADAPTER PRODUKTION UND HYBRID-MONTAGE DES LHCb-EXPERIMENTS Dieses Dokument beschreibt die technischen Spezifikationen für die Pitchadapter, Keramikträger und die Hybridmontage für das LHCb TT Siliziumdetektorprojekts. Die Pitchadapter (PA) sind Verdrahtungsträger auf Keramikmaterial, die den Pitch der Siliziumsensoren an den Eingangspitch der Auslesechips anpassen. Die PAs werden bei der Firma Radberger Microsystems (RHe) in Dünn- bzw. Dickschichttechnologie hergestellt. RHe hat ferner die Aufgabe der Hybridmontage. Dazu gehören das Auflaminieren von flexiblen PCBs auf den Keramik- bzw. Kupferträger, das Verkleben der PAs auf die Trägermaterialien, das Bestücken der PCBs und das Drahtbonden der montierten Hybride. 1. Keramikteile 1.1. Allgemeine Beschreibung Typen: Es werden drei verschiedene Keramikteile gefertigt: Unterer Keramikträger in Dickschichttechnologie, sowie unterer PA/Fan-In und oberer PA/Fan-In in Dünnschichttechnologie. Der untere Keramikträger soll in zwei verschiedenen Typen hergestellt werden. Die beiden Typen, im folgenden 1 und 2 genannt unterscheiden sich nur in der Position der Alignierungsmerkmale.

2 Substrate: Das Substrat des unteren Keramikträger ist 0.5 mm Aluminiumnitrid (AlN). Die unteren und oberen PAs bestehen aus 0.25 mm Aluminiumoxid (Al2O3). Schichtsysteme: Für die Pads, die zum Al-Draht-Bonden auf dem unteren Keramikträgers vorgesehen sind, wird Dickschicht-Au vewendet. Die Leiterbahnen, Durchkontaktierungen sowie die grossflächigen Metallisierungskontake bestehen ebenfalls aus Dickschicht-AgPd. Das Schichtsystem des unteren und oberen PAs besteht aus TiW/Au (50 nm TiW, 2 µm Au) für Aluminiumdrahtbonding. Zur Lötmontage soll selektiv auf dem oberen PA ein Schichtsystem NiAu (2 µm Ni und dünnes Gold) aufgebracht werden und ein Lötstopp angebracht werden. Leiterbahnbreiten: Die minimal zulässige Leiterbahnbreite beträgt 50% des in den Layout-Daten enthaltenen Maßes der schmalsten Leiterbahn. Leitbahnabstände: Der minimal zulässige Leiterbahnabstand beträgt 50% des in den Layout-Daten enthaltenen Maßes des schmalsten Abstandes zwischen zwei Leiterbahnen. Bondpads: Die Bondpads müssen zum Ultraschall Drahtbonden für 25µm Durchmesser Aluminum Draht (AlSi1-Draht, Reißlast 11-15cN) geeignet sein. Alle Bond- und Lötpads sollen sauber sein und sollen keine Verschmutzungen aufweisen. Es darf keine Fremdsubstanz die Bond- oder Lötbarkeit auf den Pads beeinträchtigen. Layout: U Zürich und MPI Heidelberg übermitteln Zeichnungen in DXF und/oder DWG sowie Layoutdaten in ext. GERBER oder GDSII Format. Ferner werden Vermaßungen und Toleranzen in technischen Zeichnungen in PDF-Format übermittelt. Die Maskenproduktion liegt in der Verantwortung des Vertragspartners. Ein Zugang zu allen endgültigen Zeichnungsdateien muss der U Zürich und MPI Heidelberg gewährt werden. Vor Produktionsstart muss das Layout vorgelegt und durch U Zürich bzw. MPI freigegeben werden Mechanische Toleranzen Der Zuschnitt der Keramik-Substrate soll in Breite und Länge innerhalb von +/- 20 µm der nominellen Dimensionen liegen. Die Dicke der Substrate soll innerhalb 10% der nominellen Dicke liegen. Für die Ebenheit nach Beschichtung wird verlangt: - Dünnschicht: 0,3% der entsprechenden Substratlänge (Keramik-Standard). - Dickschicht: 0,3% der entsprechenden Substratlänge (Keramik-Standard). Die übrigen Toleranzen für Löcher und Aussparungen sind in der Maßzeichnung angegeben. Die Lochgrössentoleranz im unteren und oberen PA wird auf µm festgelegt.

3 Sägen: Entlang der Sägelinie soll es keine Einkerbungen oder Chipping geben, die größer als 50 µm sind. Das Metall der Pads und der Bahnen darf durch das Sägen nicht beschädigt werden. Um die mechanischen Toleranzen der Keramik zu überprüfen wird vor dem Beginn der Vorserie ein mechanisches Muster des AlN-Keramikträgers Typ I und Typ II hergestellt und von U Zürich vermessen. Der Messbericht wird RHe vorgelegt. Nach erfolgter Freigabe dienen diese mechanischen Muster als Referenz zur Herstellung der weiteren Keramikteile Leiterbahninspektionen Eine detaillierte visuelle Inspektion der Leiterbahnen auf Unterbruch oder Kurzschluss ist erforderlich, die nach Ermessen des Herstellers durch einen elektrischen Nadelkartentest ergänzt wird. Das anfängliche Akzeptanzkriterium bei der optischen und elektrischen Kontrolle wird auf maximal zehn zulässige Defekte pro Einzelsubstrat vor Reparatur gelegt. Als Defekt wird eine Bahnunterbrechungen oder ein Kurzschluss von maximal zwei Bahnen bezeichnet. Es dürfen jedoch keine Defekte an den HVund Erd-verbindungsbahnen der PAs vorliegen. Reparaturmaßnahmen: Kurzschluss: Eine Beseitigung von Kurzschlüssen ist mittels Laser-Auftrennung möglich. Für die minimalen Leiterbahnbreiten und -abstände gelten die vorher erwähnten Anforderungen. Unterbrechung: Leitbahnunterbrechungen können mit flach gezogenen Goldoder Alu-Draht-Bondbrücken repariert und im Bedarfsfall mit einer angepassten Abdeckmasse nach Massgabe von RHe verhüllt werden. Die von RHe verwendete Abdeckmasse (z.b. UV-härtender Epoxy) muss der U Zürich mitgeteilt werden. Der Bonddrahtdurchmesser muss dem Leiterbahnquerschnitt angepasst sein. Als endgültiges Akzeptanzkriterium für die PAs nach Reparatur gilt maximal ein Defekt, d. h. entweder eine verbleibende Bahnunterbrechung oder ein Kurzschluss von maximal zwei Bahnen. Pitchadapter mit nicht reparablen Fehlern sind mittels wasserfester Faserstiftmarkierung in einer Ecke der Keramik zu kennzeichnen Drahtbondtests Es sollen Tests zur Bondbarkeit auf speziell ausgewiesenen Pads durchgeführt werden, die sich bei den Positionierlöchern befinden. Auf den PAs sollen durchgeführt werden: 20 Bondbrücken (ca. 30 Brückengeometrie)

4 Kriterien: keine Bond-, Schichtlifts. Der Mindestpullwert (Mittelwert-3s) soll 5cN betragen. Hierbei ist s die Standardabweichung. Der Nachweis bei den Drahtbondtests auf den Keramiken muss pro Los- bzw. Galvanik-Charge erbracht werden Dokumentation der Qualitätskontrolle: Die Qualitätskontrolle soll vom Hersteller auf jeden gelieferten Produktions-Lot angewandt werden und beinhaltet: Material Zertifizierung mit Lotnummer und Tag der Herstellung Kompletter Bericht und Resultate der Sichtkontrolle bzw. des elektrischen Tests Bericht zu Reperaturmassnahmen Bericht und Resultate zu den Pulltests Alle vorgenannten Punkte werden in einem COC erfasst. Das COC wird einmal pro Lieferlos ausgestellt. 2. Hybrid-Montage und Bestückung 2.1. TT-Hybridtypen Es werden drei verschiedene Hybridtypen produziert: TThybridL, TThybridM und TThybridK. Der flexible PCB-Typ L (mit langem flex PCB pigtail) wird zusammen mit dem unteren PA auf den unteren AlN-Keramiktrager laminiert und bestückt. Er bildet die untere Ebene im Detektormodul. Die flexiblen PCB-Typen M und K werden zusammen mit den oberen PAs auf Kupferträger geklebt und als obere Ebenen bezeichnet Spezifikation der Laminierung/Klebung PCB-Laminierung: Für das Laminieren der flexiblen PCBs sollen maximal 50 µm dicke, spezielle Klebefolien (z.b.467mp von 3M) verwendet werden. Die Verarbeitung muss gemäss Herstellerangaben erfolgen. Zum Ausrichten der flexiblen PCBs auf dem Träger (AlN oder Cu) sind Positionierlöcher vorgesehen. Die Laminierfläche des PCBs auf dem Träger ist in den Zeichnungsdokumenten festgelegt. Nach dem Laminierungsschritt darf es zu keiner Blasenbildung und/oder Lufteinschluss unter der Laminierfläche kommen.

5 Die Ebenheit/Wölbung der Trägerkeramik nach Laminierung sollte sich nicht unwesentlich von max. 0.3% der entsprechenden Keramiklänge (Keramikbreite) ändern. Kleben des unteren und oberen Pitchadapters: Die Pitchadapter sollen mittels einer Hochleistung-Klebefolie (467MP von 3M) auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Das Aushärten erfolgt nach Herstellerangaben. Um die Ausrichtung der PAs auf dem Träger zu erleichtern sind Positionierlöcher vorhanden. Die U Zürich wird Pass-Stifte bereitstellen, damit die Lochgrösse auf dem auflaminierten oberen PA in einem go/no-go Test überprüft werden kann Spezifikationen zur Bestückung Das Bestücken der Hybride erfolgt gemäss Bestückungsplan, der vom MPI Heidelberg bereitgestellt wird. Eine Stückliste mit Koordinaten findet sich in der Datei partlist.txt; die Platzierung der Komponenten ist in der Datei parts.ps graphisch dargestellt. Die Stückliste enthält auch Bestellangaben der Bauteilehersteller sofern spezielle Bauteile benötigt werden. Die Beetle-Chips sollen so auf den Flex platziert werden, dass ein maximaler Versatz von 50 µm zu den Strukturen der Pitchadapter nicht überschritten wird. Über die bei der Hybrid-Bestückung verwendeten Beetle ist Protokoll zu führen, so dass ein eindeutiges Zuordnen der Beetle zum jeweiligen Hybrid möglich ist. Dazu liegt jeder Chip-Lieferung des MPI Heidelberg ein entsprechendes Chip/Wafer-Mapping bei. Auf den pads mid/far der AlN-Träger sollen zusätzlich noch blanke (versilberte) Kupferdrähte mit Durchmesser 0.25 bis 0.3 mm und der Länge 30 mm angelötet werden Spezifikation zum Bonding Bondbeschreibung 1. Bonds vom chip zum Hybrid: da verschiedene Funktionalitäten des Beetle für unsere Anwendung nicht benötigt werden, müssen auch nicht alle Pads verbunden werden. Eine Liste der auszuführenden bonds zwischen chip und hybrid findet sich im 274x-gerber-Format in der Datei hyb_bonds. Die bonds sind fuer alle 4 dies mit Ausnahme der bonds im Bereich Bondpad- Nr. 183 bis 189 gleich. Die bonds bei den Pads Nr. 169, 170, 202, 203, 204, 205, 206, 207 sind jeweils mehrfach (soviele bonds wie moeglich, min. 2) auszufuhren; in den Gerber daten sind jedoch nur einfach dargestellt! Einen

6 Überblick über die auszuführenden Bonds erhält man in der Datei bonding2.ps; die bonds bei den einzelnen chips sind in den Dateien parts_ic*.ps bzw. IC1.pdf (in blau) dargestellt. Alle bonds vom chip in Richtung flex PCB sollen mit 30 µm Aluminiumdraht ausgeführt werden. 2. Bonds vom chip zum pitch adapter: Die bonds zum pitch adapter finden sich in pa_bonds. Allerdings sind hier nur einige bonds beim obersten beetle exemplarisch dargestellt, da sich das Muster wiederholt. Bei allen 4 dies sind die Bonds zum pitch adapter identisch: es werden jeweils Pad Nr. 7 bis 134 bei allen 4 dies mit den ensprechenden Pads auf dem pitch adapter verbunden. Anmerkung: die pitch adapter für TThybridK und TThybridL unterscheiden sich im Layout. Im Bereich der zu bondenden Pads sind sie jedoch identisch; deshalb ist hier immer nur ein pitch adapter Typ dargestellt. Die bonds vom chip in Richtung Pitchadapter sollen mit 25 µm Aluminiumdraht ausgeführt werden. 3. Bonds vom Hybrid zum pitch adapter: oben und unten befinden sich auf dem hybrid jeweils 2 grosse bondpads, die durch mehrere bonds mit den entsprechenden Pads auf dem pitch adapter verbunden werden sollen. Diese bonds finden sich auch in der Datei pa_bonds Kontrolle der Bonds Eine visuelle Sichtkontrolle der Bondverbindungen ist erforderlich. Als Bondfehler ist pro montierter Ebene, d. h. pro TT-HybridK, TT-HybridM oder TT-HybridL maximal eine fehlerhafte Bondverbindung zulässig. Ausgenommen sind hierbei Bondverbindungen zwischen chip und PCB. Bei diesen Verbindungen werden keine Fehler toleriert. Als weitere Massnahme zur Qualitätssicherung der Bondbarkeit finden folgende Bondprüfungen statt: 1. Pro eingehendes Produktionslos der flexiblen PCBs wird in der Wareneingangsprüfung ein Bondtest auf den Leiterbahnen der flex PCBs durchgeführt. 2. Pro TThybrid-Fertigunslos werden in einem Musteraufbau die Pullwerte von repräsentativen Bonds auf dem Hybrid untersucht und dokumentiert Weitere Qualitätstests Nach Bestücken und Bonden in Richtung Chip-Flex PCB soll ein kurzer elektrischer Funktionstests an den Hybridaufbauten vorgenommen werden. Der Testaufbau wird vom MPI Heidelberg bereitgestellt und aufgebaut. Hybride, die diesen kurzen Funktionstest passieren, werden zur Endmontage gebondet, d.h.

7 es werden die verbleibenden Chip-PA bonds angebracht. Hybride, die diesen Test nicht passieren, werden nach Rücksprache mit MPI-HD zur weiteren Diagnose nach Heidelberg geschickt. RHe führt an den montierten Hybriden einen abschliessenden thermischen Belastungstests in einem Wärme- und Kältebad bei +60C und 20C durch. Die Verweildauer beträgt jeweils 10 Minuten. Die Zyklenanzahl ist noch näher zu definieren TThybrid Seriennummern Die montierten Hybridebenen TT-HybridK, TT-HybridM und TT-HybridL erhalten bei RHe aufgeklebte labels mit einer Typenbezeichnung und fortlaufender Seriennummerierung. Die Typenbezeichnung besteht aus RHe TThybrid sowie aus der Seriennummer mit vorangestelltem Anfangsbuchstaben des Hybrid- Typs. Die Seriennummer beginnt für alle Hybridtypen mit 100, d.h. K100, M100 und L100. Die labels werden mittig auf die flex PCBs in Steckernähe angebracht Dokumentation der Qualitätskontrolle Die Dokumentation der Qualitätskontrolle der Hybrid-Montage umfasst folgende Punkte: Kompletter Bericht und Resultate der Sicht- und elektrischen Kontrolle nach Bestückung und Bonding Liste der verwendeten Beetle chips auf den jeweiligen Hybriden Sonstige Ergänzungen und Kommentare zur Montage wie z.b. spezielle Laminierungs oder Klebeverfahren. Alle vorgenannten Punkte werden in einem COC erfasst. 3. Akzeptanz Kundeneingangskontrolle: U Zürich und MPI Heidelberg werden als Eingangskontrolle die gelieferten Hybrid-Module visuell inspizieren und einem Burn-in test zuführen. Zusätzlich findet eine metrologische Vermessung der AlN- Keramiken statt, um die mechanischen Toleranzen zu prüfen. Akzeptanz: Die gelieferten Hybride werden von U Zürich und MPI Heidelberg vorläufig akzeptiert und der Eingangskontrolle zugeführt. Beide Institute haben das Recht gelieferte Hybride, die die obigen Spezifikationen nicht erfüllen, innerhalb von 8 Wochen nach Eingang zurückzuschicken unter schriftlicher

8 Angabe des Reklamationsgrunds. Beide Partien können sich darauf verständigen gelieferte Hybride zu akzeptieren, die die Spezifikationen nur knapp verfehlen. 4. Bestellmengen TT-Hybride Die Bestellmengen der TT-Hybride sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Die Lieferung gliedert sich in eine Vor- und eine Hauptserie. Spätestens vier Wochen nach Auslieferung der Vorserie wird die Freigabe der Hauptserienproduktion von Uni Zürich und MPI-HD gegeben. Layoutänderungen in der AlN-Trägerkeramikbeschichtung bzw. Bestückungsplanänderungen zwischen Vor- und Hauptserie sind vorbehalten. Hybrid-Typ Vorserie Hauptserie Total TThybridK TThybridM TThybridL Typ TThybridL Typ