Summary of ITk Pixel Status Reports and Organization Updates

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P. Morettini
14/3/2016
PM - ITk Pixel Status Report
1
Dove siamo?
Siamo in una fase di 
transizione
 tra un progetto di R&D ed un
progetto di 
costruzione
 di un rivelatore molto complicato.
Credo sia naturale che, specialmente in alcune aree critiche,
si continui a lavorare con una 
mentalità aperta a nuovi
sviluppi 
potenzialmente promettenti. Ma 
il tempo comincia a
diventare un fattore critico
, ed alcune decisioni importanti
dovranno essere prese nei prossimi mesi.
Dobbiamo quindi cominciare a pensare in un ottica un po’
meno locale e un po’ più orientata al raggiungimento del
risultato globale
.
Utilizzerò le slides presentate alla fine dell’ultima ITk week
per illustrare le 
decisioni critiche 
che gi attendono nei
prossimi mesi.
14/3/2016
PM - ITk Pixel Status Report
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Pixel Organization – 2016
Pixel PL : 
P. Morettini
Deputy PL : 
P. Grenier
Modules
R. Bates
F. Huegging
Detector
Electronics
T. Flick
Read-out system
and Software
J. Grosse-Knetter
Steering committee / Design Group
PL, Deputy PL
D. Giugni : PE
R. Bates, D. Dobos, T. Flick,
F. Huegging, 
J. Grosse-Knetter
C. Gemme : LTF
M. Garcia-Sciveres : RD53 contact
D. Ferrere : Pixel PL
Mechanics and
Integration
D. Dobos
D. Giugni
Sensors
S. Grinstein
A. Macchiolo
CMOS
N. Wermes
14/3/2016
PM - ITk Pixel Status Report
3
Closed sessions
Drive R&D efforts
Handle dependencies and
conflicts between groups
Manage documentation
Define milestones, review
dates
Define strategies to select
among multiple options
Take decisions and propose
them to ITk SC for approval.
Open sessions
Promote exchange of ideas
between experts in different
fields
Stimulate discussions and
convergence to common
solutions when needed
Gather information from
experts, collect and track the
documentation, distribute it
to the collaboration.
Items to attack now
Project schedule / Project organization / Cost calculation / Production model
Preliminary plan needed for the Strip TDR; important input will soon arrive from the institute aspiration survey.
Global support and integration
Pixel/Strips interface and connections to local supports must be defined for the Strips TDR.
Local support design definition
In parallel with the LTF, assess the feasibility of the proposed solution. Fix the design  by the Pixel TDR.
FE chip requirements / link with RD53
Strong correlation between RD53 and ITk schedule. Clarify the share or responsibilities.
Sensors strategy
Progressively reduce the number of technical options; prepare market survey in 2018
CMOS strategy
Need to define how to proceed at the end of 2016. Pixel TDR must contain a detailed plan.
BB strategy
A critical item for the production. A solid plan is
 
mandatory in the Pixel TDR
Conceptual design of the powering schema and of the data transmission tree
A lot of dependencies everywhere in the project. Needed for simulation, layout definition, global mechanics,
TDAQ …  Effort in progress to define a baseline cables numerology (LTF Step 1.5, Cable Task Force).
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PM - ITk Pixel Status Report
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Planning 2016-2019
Cost and Schedule review
14/3/2016
PM - ITk Pixel Status Report
5
2016
2017
2018
2019
Strip TDR
Pixel TDR
Pixel MOU
Pre-production
Layout definition
Local support  conceptual design
Tests with prototypes
Requirements review
Bump-bonding vendors
qualification / sensor market survey
RD53-A tests
CMOS demonstrator tests
CMOS review
Module
PRRs
CMOS phase II
RD53 «final» design
Global support  conceptual
design
Local support design definition
The LTF, and ITk in general, will provide a 
layout
recommendation by the end of 2016
, with particular (but not
exclusive) focus on 
detector performance
.
In parallel, the Pixel Mechanics group will analyze 
prototypes
of the proposed local support solutions, to 
verify the
compliance with specifications
.
By the end of the year we should have a 
well defined metrics
to select the best design
 of the Pixel local supports.
In 2017 the design must be 
optimized and reviewed
, based
on the analysis of 
full scale prototypes
.
Pixel TDR must contain a single solution
, endorsed by the
collaboration and validated by a complete set of
qualification measurements.
14/3/2016
PM - ITk Pixel Status Report
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Qualification and test plan by Q4 2016
A testing plan has been drafted out and circulated so far. It covers the full design qualification process.
However, by Q4 2016, 
only some of the test will be performed
Test of the nominal TFM
Each local support design with at least three silicon heaters (or three different cooling blocks) are tested on the thermal
setup in SR1.
The scope is to verify the “as build” thermal performance. A 
direct
 comparison of the various types of local support will
be, therefore, possible
Robustness test
The same few samples (tested as above) should go through a test meant to evaluate how much the operational
conditions might affect the thermal performance.
In more details
:
-
Thermal cycling (100 cycles spanning the OTR
)
-
Pressure (100 cycles over MDP.
TFM is measured again to exclude or evaluate degradation.
Note that radiation effects are not part of the test for now.
-
Production thermal performance variation (TFM variance along and within samples).
Estimated only on previous samples.
It should be that only 0.15% of the heaters loaded on samples show a TFM larger than 1.5 times the design value
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PM - ITk Pixel Status Report
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Qualification and test plan by Q4 ’16        (2)
Mechanics validation
By now we do not know the layout. Stave lengths will keep changing.
It is unpractical to produce a full-size prototype and measure the mechanical performances on a variety of
load cases (including humidity, temperature change)
However, some critical performances need to be verified.
The idea here is to 
qualify
 the FEA model on real prototypes on which the deformation is measured
applying:
-
Dummy loads (central weights)
-
Thermal load (uniform temperature drop)
And then, FEA is tuned to meet the measured values.
Specs’ compliance is then verified with a simulation of the full stave combining the loads case
accordingly to the ATU-SYS-ES-0029
Note that the effect from humidity variation is not considered at this stage.
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PM - ITk Pixel Status Report
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By the Pixel’s TDR (Q4 2017)
As for the local supports what must be done by Q4 2017 is rather clear.
 In practice, the
“chosen” design prototype needs to be qualified for what has been left over:
Humidity variation
Irradiation
Full size prototype
Unfortunately this qualifies the mechanics only. However, we must have by then  a complete
stave/ring with services and modules.
I do need more time to address this and more inputs from the collaboration.
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PM - ITk Pixel Status Report
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Modules
La tabella di marcia viene 
determinate dal chip di RD53
: il
prototipo 
RD53-A verrà sottomesso a fine anno
, e rappresenterà
una milestone importante. Sfortunatamente entrerà solo
marginalmente nel TDR
. Se tutto andrà bene, il 
chip finale per
ATLAS 
potrebbe essere 
disponibile all’inizio del 2019
. Le relazioni
con RD53 vanno migliorate.
Per i 
sensori
, il TDR dovrebbe chiarire la 
baseline per ogni strato
del rivelatore
, con un numero limitato di opzioni. 
Costi, yield e
rate di produzione 
vanno chiariti, e il numero di varianti ridotto al
minimo. La gara di appalto potrebbe essere svolta nel 2018.
La scelta del tipo di sensore ha 
implicazioni profonde anche sul
design del sistema di raffreddamento e sui supporti
.
Il bump bonding 
rimane un item 
critico
, anche se alcuni risultati
incoraggianti arrivano da diversi produttori.
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Passive CMOS sensors
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Module production schedule
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2016
2017
2018
2019
2020
Strip TDR
Pixel TDR
Pixel MOU
Pre-production
RD53A
submission
RD53A irrad
and tests
BB for RD53A test and validation
RD53A modules
RD53A modules irrad and
test
Sensor tender
Bump bonding tender
RD53B design
RD53B irrad
and test
PRR
Chip
PRR
Sens
CHIP
production
Sensor production
PRR
BB
PRR
Mod
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In-Pixel efficiency contribution per BC
Fastest contribution coming
from the center of the pixel.
Bias Voltage 80 V
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CMOS strategy
I risultati ottenuti finora sono 
incoraggianti
. Diversi dimostratori di grandi
dimensioni sono 
in fase di produzione o in test
.
C’è un 
interesse ed una fiducia crescenti nella possibilità di realizzare un chip
monolitico
. DI fatto, sembra la sola soluzione veramente interessante per
coprire una grande superficie: 
una soluzione con sensore attivo ed
accoppiamento capacitivo sembra essere non molto più economica di un
sensore CMOS passivo con bump-bonding tradizionale
, ma notevolmente
più rischiosa.
D’altro canto 
la strada per dimostrare la fattibilità di un rivelatore monolitico
che possa funzionare sul quinto layer è ancora molto lunga
. La sola strategia
possibile con una qualche chance di successo è quella di fare uno sforzo di
design unico a livello ITk. La fonderia potrebbe essere 
LFundry
 (che permette
di fare stiching).
Ci sono 
discussioni in corso ma ancora nulla di concreto
. Un gruppo di
disegno comune potrebbe però partire nei prossimi mesi, e credo che, come
INFN, dovremmo contribuire.
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Data Link workshop
Abbiamo fatto un mini-workshop per discutere 
le strategie per
la trasmissione dati
.
Un tipico esempio di problema che coinvolge tutti gli aspetti
del rivelatore (
meccanica, simulazione, moduli, FE, readout
).
Potrebbero servire 
22 K links a 5 Gb/s 
per un layout come quelli
di step 1.5
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Read out
Se forse è presto per parlare del sistema di redout finale,
dovremmo 
cominciare subito a progettare il sistema di test per
la produzione
, che dovrà essere qualificato nel 2019.
Abbiamo 6-7 diverse schede di lettura, il rischio di
frammentazione del lavoro è molto alto
, mentre sarebbe bene
avere un singolo setup di test.
Inoltre 
la situazione del read-out al pozzo è molto delicata
, e io
credo che una qualche forma di 
sinergia Pixel-ITk sul DAQ 
sia
essenziale per mantenere il rivelatore attuale in funzione fino al
2023.
I gruppi italiani 
possono contribuire alla realizzazione di un
sistema comune di test in laboratorio
, che funzioni con tutte le
schede di acquisizione e tutti I tipi di moduli.
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Slide Note
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The content provides updates from ITk Pixel Status Reports on project transitions, decision-making processes, organizational structure, and key focus areas. It also outlines responsibilities, strategic planning, and critical items to address within the project timeline. The Planning section outlines activities planned for 2016-2019 related to Strip TDR, Pixel TDR, production models, and technological strategies. The content emphasizes the importance of collaboration, decision-making, and aligning strategies to achieve project goals efficiently.

  • ITk Pixel
  • Project Organization
  • Decision-making
  • Strategic Planning
  • Technological Strategies

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E N D

Presentation Transcript


  1. P. Morettini Pixel Pixel Status Status Report Report 1 PM - ITk Pixel Status Report 14/3/2016

  2. Dove siamo? Siamo in una fase di transizione tra un progetto di R&D ed un progetto di costruzionedi un rivelatore molto complicato. Credo sia naturale che, specialmente in alcune aree critiche, si continui a lavorare con una mentalit aperta a nuovi sviluppi potenzialmente promettenti. Ma il tempo comincia a diventare un fattore critico, ed alcune decisioni importanti dovranno essere prese nei prossimi mesi. Dobbiamo quindi cominciare a pensare in un ottica un po meno locale e un po pi orientata al raggiungimento del risultato globale. Utilizzer le slides presentate alla fine dell ultima ITk week per illustrare le decisioni critiche che giattendono nei prossimi mesi. 14/3/2016 2 PM - ITk Pixel Status Report

  3. Pixel Organization 2016 Pixel PL : P. Morettini Deputy PL : P. Grenier Closed sessions Drive R&D efforts Handle dependencies and conflicts between groups Manage documentation Define milestones, review dates Define strategies to select among multiple options Take decisions and propose them to ITk SC for approval. Open sessions Promote exchange of ideas between experts in different fields Stimulate discussions and convergence to common solutions when needed Gather information from experts, collect and track the documentation, distribute it to the collaboration. Steering committee / Design Group PL, DeputyPL D. Giugni : PE R. Bates, D. Dobos, T. Flick, F. Huegging, J. Grosse-Knetter C. Gemme : LTF M. Garcia-Sciveres : RD53 contact D. Ferrere : Pixel PL Mechanics and Integration D. Dobos D. Giugni Detector Electronics T. Flick Read-out system and Software J. Grosse-Knetter Modules R. Bates F. Huegging Sensors S. Grinstein A. Macchiolo CMOS N. Wermes 3 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  4. Items to attack now Project schedule / Project organization / Cost calculation / Production model Preliminary plan needed for the Strip TDR; important input will soon arrive from the institute aspiration survey. Global support and integration Pixel/Strips interface and connections to local supports must be defined for the Strips TDR. Local support design definition In parallel with the LTF, assess the feasibility of the proposed solution. Fix the design by the Pixel TDR. FE chip requirements / link with RD53 Strong correlation between RD53 and ITk schedule. Clarify the share or responsibilities. Sensors strategy Progressively reduce the number of technical options; prepare market survey in 2018 CMOS strategy Need to define how to proceed at the end of 2016. Pixel TDR must contain a detailed plan. BB strategy A critical item for the production. A solid plan is mandatory in the Pixel TDR Conceptual design of the powering schema and of the data transmission tree A lot of dependencies everywhere in the project. Needed for simulation, layout definition, global mechanics, TDAQ Effort in progress to define a baseline cables numerology (LTF Step 1.5, Cable Task Force). 14/3/2016 4 PM - ITk Pixel Status Report

  5. Planning 2016-2019 2016 2017 2018 2019 Strip TDR Pixel TDR Pixel MOU Pre-production Costand Schedule review Requirementsreview Layout definition Local support conceptualdesign Testswith prototypes Global support conceptual design RD53-A tests RD53 final design CMOS demonstratortests CMOS phase II CMOS review Bump-bondingvendors qualification / sensormarket survey Module PRRs 5 PM - ITk Pixel Status Report 14/3/2016

  6. Local support design definition The LTF, and ITk in general, will provide a layout recommendation by the end of 2016, with particular (but not exclusive) focus on detector performance. In parallel, the Pixel Mechanics group will analyze prototypes of the proposed local support solutions, to verify the compliance with specifications. By the end of the year we should have a well defined metrics to select the best design of the Pixel local supports. In 2017 the design must be optimized and reviewed, based on the analysis of full scale prototypes. Pixel TDR must contain a single solution, endorsed by the collaboration and validated by a complete set of qualification measurements. 14/3/2016 6 PM - ITk Pixel Status Report

  7. Qualification and test plan by Q4 2016 A testing plan has been drafted out and circulated so far. It covers the full design qualification process. However, by Q4 2016, only some of the test will be performed Test of the nominal TFM Each local support design with at least three silicon heaters (or three different cooling blocks) are tested on the thermal setup in SR1. The scope is to verify the as build thermal performance. A direct comparison of the various types of local support will be, therefore, possible Robustness test The same few samples (tested as above) should go through a test meant to evaluate how much the operational conditions might affect the thermal performance. In more details: - Thermal cycling (100 cycles spanning the OTR) - Pressure (100 cycles over MDP. TFM is measured again to exclude or evaluate degradation. Note that radiation effects are not part of the test for now. Production thermal performance variation (TFM variance along and within samples). Estimated only on previous samples. It should be that only 0.15% of the heaters loaded on samples show a TFM larger than 1.5 times the design value - 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report 7

  8. Qualification and test plan by Q4 16 (2) Mechanics validation By now we do not know the layout. Stave lengths will keep changing. It is unpractical to produce a full-size prototype and measure the mechanical performances on a variety of load cases (including humidity, temperature change) However, some critical performances need to be verified. The idea here is to qualify the FEA model on real prototypes on which the deformation is measured applying: - Dummy loads (central weights) - Thermal load (uniform temperature drop) And then, FEA is tuned to meet the measured values. Specs compliance is then verified with a simulation of the full stave combining the loads case accordingly to the ATU-SYS-ES-0029 Note that the effect from humidity variation is not considered at this stage. 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report 8

  9. By the Pixels TDR (Q4 2017) As for the local supports what must be done by Q4 2017 is rather clear. In practice, the chosen design prototype needs to be qualified for what has been left over: Humidity variation Irradiation Full size prototype Unfortunately this qualifies the mechanics only. However, we must have by then a complete stave/ring with services and modules. I do need more time to address this and more inputs from the collaboration. 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report 9

  10. TFM measurements in SR1 10 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  11. TFM measurement on an I-Beam sample 11 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  12. Modules La tabella di marcia viene determinate dal chip di RD53: il prototipo RD53-A verr sottomesso a fine anno, e rappresenter una milestone importante. Sfortunatamente entrer solo marginalmente nel TDR. Se tutto andr bene, il chip finale per ATLAS potrebbe essere disponibile all inizio del 2019. Le relazioni con RD53 vanno migliorate. Per i sensori, il TDR dovrebbe chiarire la baseline per ogni strato del rivelatore, con un numero limitato di opzioni. Costi, yield e rate di produzione vanno chiariti, e il numero di varianti ridotto al minimo. La gara di appalto potrebbe essere svolta nel 2018. La scelta del tipo di sensore ha implicazioni profonde anche sul design del sistema di raffreddamento e sui supporti. Il bumpbonding rimane un item critico, anche se alcuni risultati incoraggianti arrivano da diversi produttori. 14/3/2016 12 PM - ITk Pixel Status Report

  13. Planar sensors / QUAD modules 14/3/2016 13 PM - ITk Pixel Status Report

  14. 3D sensors 14 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  15. Passive CMOS sensors Passive CMOS sensors 15 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  16. First RD53 prototype under test 16 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  17. Example of H-reflow SnAg Bump Bonding at HPK on quad modules 17 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  18. BB tests at Selex on a 2x2 cm2, 50x50 m test chip 18 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  19. Module production schedule 2016 2017 2018 2020 2019 Strip TDR Pixel MOU Pixel TDR RD53A submission RD53A irrad and tests BB for RD53A test and validation RD53A modules RD53A modules irrad and test Sensor tender Bump bonding tender RD53B design RD53B irrad and test Pre-production CHIP PRR Chip production PRR Sens Sensor production PRR BB PRR Mod 19 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  20. In-Pixel efficiency contribution per BC Fastest from the center of the pixel. contribution coming Bias Voltage 80 V CMOS: Interesting results from the old submissions / Timing 20 14/3/2016 PM - ITK PIXEL STATUS REPORT

  21. First CMOS demonstrators already available to test 21 14/3/2016 PM - ITk Pixel Status Report

  22. CMOS strategy I risultati ottenuti finora sono incoraggianti. Diversi dimostratori di grandi dimensioni sono in fase di produzione o in test. C un interesse ed una fiducia crescenti nella possibilit di realizzare un chip monolitico. DI fatto, sembra la sola soluzione veramente interessante per coprire una grande superficie: una soluzione con sensore attivo ed accoppiamento capacitivo sembra essere non molto pi economica di un sensore CMOS passivo con bump-bonding tradizionale, ma notevolmente pi rischiosa. D altro canto la strada per dimostrare la fattibilit di un rivelatore monolitico che possa funzionare sul quinto layer ancora molto lunga. La sola strategia possibile con una qualche chance di successo quella di fare uno sforzo di design unico a livello ITk. La fonderia potrebbe essere LFundry (che permette di fare stiching). Ci sono discussioni in corso ma ancora nulla di concreto. Un gruppo di disegno comune potrebbe per partire nei prossimi mesi, e credo che, come INFN, dovremmo contribuire. 14/3/2016 22 PM - ITk Pixel Status Report

  23. Data Link workshop Abbiamo fatto un mini-workshop per discutere le strategie per la trasmissione dati. Un tipico esempio di problema che coinvolge tutti gli aspetti del rivelatore (meccanica, simulazione, moduli, FE, readout). Potrebbero servire 22 K links a 5 Gb/s per un layout come quelli di step 1.5 14/3/2016 23 PM - ITk Pixel Status Report

  24. Read out Se forse presto per parlare del sistema di redoutfinale, dovremmo cominciare subito a progettare il sistema di test per la produzione, che dovr essere qualificato nel 2019. Abbiamo 6-7 diverse schede di lettura, il rischio di frammentazione del lavoro molto alto, mentre sarebbe bene avere un singolo setup di test. Inoltre la situazione del read-out al pozzo molto delicata, e io credo che una qualche forma di sinergia Pixel-ITk sul DAQ sia essenziale per mantenere il rivelatore attuale in funzione fino al 2023. I gruppi italiani possono contribuire alla realizzazione di un sistema comune di test in laboratorio, che funzioni con tutte le schede di acquisizione e tutti I tipi di moduli. 14/3/2016 24 PM - ITk Pixel Status Report

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