Des puces sur une échelle: fin de la production pour ALICE-MFT

Publié par Redbran le 16/06/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU
Après plus de quatre ans de travail de recherche et développement, conception et fabrication, le MFT (Muon Forward Tracker), un nouveau détecteur qui va équiper l'expérience ALICE au LHC, voit sa construction finalisée et en cours de commissioning au Cern. Dans le but de limiter autant que possible la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) traversée par les particules, la fabrication de ce détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) a nécessité le développement de nombreuses techniques et procédures innovantes, en particulier dans l'intégration de capteurs silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) sur des circuits hybrides flexibles appelés échelles dont l'Irfu a eu la responsabilité au sein du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...). Pour fabriquer ces 500 échelles du MFT, deux années ont été nécessaires et une très longue séquence d'opérations a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) de nombreuses études sous la responsabilité de l'équipe de l'Antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) Irfu au Cern. La production de ces échelles vient de se terminer avec succès et c'est donc le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'en faire un court bilan.


Commissioning en laboratoire du détecteur MFT totalement assemblé (© Collaboration MFT)

Plus de 1000 capteurs silicium, correspondant à une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) d'un demi mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.), assemblés en presque 500 circuits intégrés, collés sur les deux faces de 10 demi-disques, le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) monté dans un tonneau de 4 mètres de long et qui doit être positionné dans l'expérience ALICE au dixième de millimètre près. Ceci a été le challenge du détecteur MFT (Muon Forward Tracker), conçu dans le cadre des upgrades de l'expérience ALICE au LHC dans le but de mieux comprendre un état très exotique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) qu'on appelle le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes...) de quarks et gluons. Depuis plus de cinq ans, l'Irfu et une douzaine d'instituts de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une des...), Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale...) et Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), ont travaillé pour construire ce trajectographe de haute précision qui sera placé en face de l'absorbeur de hadrons de l'expérience ALICE. Il permettra, couplé à l'actuel spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de...) à muons, de détecter des paires de muons provenant des collisions de particules (protons et ions plomb) avec une résolution spatiale de 5 micromètres et de reconstruire le vertex d'où ces paires de muons proviennent.

L'élément de base du détecteur MFT est appelé échelle (ou ladder): il s'agit d'un système intégré hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique),...) formé d'un circuit imprimé (Le circuit imprimé est un support, généralement une plaque, destiné à regrouper des composants électroniques, afin de réaliser un système plus complexe.) flexible (ou FPC, Flexible Printed Circuit) sur lequel sont collés et interconnectés des capteurs silicium (chips ou puces). Puisque ces échelles sont ensuite collées sur des disques de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) croissant, leur longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle...) est variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...), de 2 à 5 puces chacune.


Schéma de l'upgrade du détecteur Alice


Figure 1: Machine numérique d'assemblage (ALICIA) située en salle blanche au CERN (© Ph. Stroppa/CEA)

Fabriquer une échelle: la recette du succès

Comme dans toute recette de cuisine (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur consommation par les êtres humains (voir cuisinerie). La cuisine est...), avant de se mettre aux fourneaux il faut préparer les ingrédients. Dans ce cas il n'y en a que deux: des puces et des circuits imprimés flexibles.

Le capteur du MFT, appelé ALPIDE a été conçu par une équipe internationale pilotée par le CERN dont faisait partie l'Irfu. C'est une fine lamelle de silicium d'une surface de 4.5 cm², d'une épaisseur de 50 µm, fragile comme du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...), dans laquelle a été gravé un demi-million de pixels détecteurs ainsi que leur électronique de lecture. Fabriquées par une fonderie (La fonderie est l'un des procédés de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule pour reproduire, après...) spécialisée en Israël, nous recevons ces puces sous forme de wafer (plaque très fine de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est...) monocristalin) dans lequel 46 capteurs sont prédécoupés au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) dans une entreprise coréenne. Débute alors en salle blanche la délicate opération de picking: l'objectif est de séparer chaque puce du wafer pour la déposer délicatement et dans un ordre défini dans un boitier dédié. Une puce mesure 30 mm par 15 mm, chacune dispose de sa propre identification et subit une inspection visuelle poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) à l'aide d'une loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du...) binoculaire afin de la débarrasser d'éventuelles poussières ou débris de silicium. Une fois prêtes dans leur boitier, les performances de chaque puce sont testées à l'aide d'une carte sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques...) qui déploie de fines aiguilles se connectant aux 63 plots métalliques en surface de la puce et réalise une multitude de tests électriques et électroniques afin de la qualifier.

Le FPC est quant à lui un circuit imprimé flexible en polyamide, avec 2 couches d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) de part et d'autre. Conçu par une équipe de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire...), il est muni sur une face des emplacements pour placer les capteurs et d'un connecteur 70 broches permettant l'alimentation des puces et la transmission de signaux à très haut débit (Le terme de très haut débit (ou THD) fait référence à des capacités d'accès à internet supérieures à celle de l'accès par l'ADSL dans le domaine du fixe et à celles de...) (1.2 Go par seconde), et sur l'autre face de composants microélectroniques (résistances et capacités) qui assurent le découplage de l'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) (analogique et digitale) des capteurs et l'adaptation d'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) des lignes de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Chaque FPC a une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre...) constante de 16.7 mm alors que sa longueur peut varier de 99.65 mm à 190.10 mm selon le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de capteurs présents sur l'échelle.

Les FPC sont fabriqués au CERN (seul laboratoire au monde (Le mot monde peut désigner :) où ce type de production est possible) à partir de feuilles d'aluminium (pour réduire la matière) lithographiées sur un substrat de polyamide, prédécoupés et percées par laser en Italie, puis détachés et inspectés au CERN pour être enfin envoyés au câblage dans une entreprise spécialisée dans la région de Nantes pour la pose des composants et du connecteur. Une fois câblés, les FPC sont de nouveau inspectés minutieusement dans le laboratoire MFT de l'Antenne Irfu au CERN afin de vérifier la qualité des soudures, la bonne position des composants, et de retirer toute substance étrangère. Le FPC est désormais prêt pour entrer en salle blanche où une série de nettoyages profonds est réalisée à l'aide de bains ultrasoniques à base d'alcool, d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) avec lessive (Originellement, la lessive (du latin lixiva : « eau pour la lessive ») désignait l'eau de lavage ou l'action de laver du linge, puis le linge lui-même : on fait la...) industrielle et d'eau déminéralisée. Les FPC sont ensuite séchés et de nouveau inspectés pour détecter le moindre défaut de métallisation, la planéité et dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) des plots d'interconnexion aux capteurs, ainsi que toute éventuelle contamination. Enfin, un masque semi-adhésif est placé sur chaque FPC pour le protéger lors des étapes de collage.


Figure 2: Points de colle d'un diamètre de 0.7 mm déposés sur le FPC par sérigraphie (© Collaboration MFT)


Les ingrédients sont donc prêts et la recette (enfin... l'assemblage de l'échelle) peut commencer. Ceci a lieu en salle blanche à l'aide d'une machine numérique trois-axes, appelée ALICIA (ALICE Integrated Circuit Inspection and Assembly machine), qui positionne les puces avec une précision de 5 µm sur un support en inox spécialement usiné et percé d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) de tout petits trous qui permettent, par aspiration, de garder les puces en adhérence avec le support (figure 1). Parallèlement, le FPC est positionné sur un support aspirant qui va également le maintenir parfaitement plat et dans une position très précise. Des petits points de colle bi-composant de type Araldite sont déposés sur le FPC par sérigraphie en raclant la colle sur un pochoir en inox préalablement positionné sur le FPC et muni de trous coniques. Le pochoir est immédiatement enlevé pour révéler de jolis points de colle habilement répartis pour éviter les débordements dans les trous, appelés vias, qui serviront pour l'interconnexion du FPC avec les puces (figure 2).

Sans attendre, le FPC maintenu par le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) sur son support est positionné en regard des puces à l'aide de pions de centrage de précision. Le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...) du support du FPC permet une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) suffisante et une cale entre le FPC et les puces garantit une épaisseur finale de colle de 50 µm. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...) est laissé ainsi dans ALICIA pendant 4h au minimum pour que la colle commence sa polymérisation. Quelques jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport...) plus tard, une fois que la colle est bien polymérisée (figure 3) et après une inspection minutieuse de l'assemblage, la connexion entre le FPC et les puces est réalisée par micropontage électronique (wire bonding) sur les plots métallisés du FPC. Chaque micropontage est constitué de de 3 fils de 25 µm de diamètre qui passent au travers des vias du FPC pour être connectés aux 74 pads sur la surface des capteurs (figure 4). L'assemblage de l'échelle est alors complet et une dernière inspection visuelle permet de vérifier la qualité des interconnexions.

Tout au long de ces procédures, un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) qualité très approfondi est assuré: la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) et l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) sont contrôlées, toutes les opérations et les photos prises lors de l'assemblage sont enregistrées dans des fiches de suivi et chaque échelle comporte un numéro d'identité unique permettant de remonter avec exactitude à toutes les étapes de sa production.

Après la fabrication, la qualification

Une fois l'échelle assemblée, elle est transférée au laboratoire MFT de l'Antenne Irfu au CERN où elle subit une batterie de tests permettant de qualifier ses performances. Dans le laboratoire, deux bancs de tests permettent de tester chaque échelle du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) électrique et fonctionnel. Tout d'abord l'échelle est alimentée de manière graduelle en tension (La tension est une force d'extension.) analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) et digitale (Les digitales forment le genre Digitalis, environ 20 espèces de plantes herbacées classiquement placées dans la famille des Scrofulariacées....) et sa consommation électrique est vérifiée (c'est ce qu'on appelle le "smoke test": s'il n'y a pas de fumée c'est effectivement mieux !). Ensuite, l'échelle est connectée à un système d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) développé spécifiquement pour le projet qui permet de tester ses fonctionnalités en termes de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) électronique, nombre de pixels morts ou anormaux, vitesse (On distingue :) de transmission des données numérisées (figure 5). A chaque test est associé un grade (Le mot grade a plusieurs significations :) de qualification qui est fonction des performances mesurées par rapport aux spécifications attendues. A l'issue de ces tests, l'échelle est qualifiée suivant trois grades:
- "gold" pour une échelle qui fonctionne parfaitement et dont tous les pixels et circuits répondent exactement comme attendu
- "silver" lorsque quelques pixels ne répondent pas correctement mais leur nombre est faible et l'échelle peut être utilisée sans problème
- "bronze" quand le nombre de pixels défectueux et trop élevé et l'échelle, bien que fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...), restera dans les spares plutôt que d'équiper le détecteur MFT.

Enfin, comme dans toute recette il y a des ratés et parfois une échelle ne passe pas les tests, pour diverses raisons qui peuvent être un dommage des puces, un défaut du FPC ou une mauvaise manipulation. Dans ce cas elle est qualifiée comme "non conforme" et mise de côté.


Figure 5: Deux exemples de résultat issus de la qualification d'une échelle en termes de qualité de transmission des données numérisées (test appelé "diagramme de l'oeil"). Les graphiques montrent la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la même...) temporelle (axe horizontal) et en amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) (axe verticale) dans la transmission de signaux numériques à la vitesse de 1.2 Gb/s. Plus le diagramme est ouvert (comme dans la figure de gauche), meilleure sera la qualité de transmission (© Collaboration MFT)

Les 500 échelles qui équipent le détecteur MFT sont aujourd'hui toutes fabriquées, testées et qualifiées. Le développement des procédés de fabrication, d'assemblage et du contrôle qualité associé a demandé à l'équipe de l'Irfu plus de deux ans de recherche, en collaboration avec des équipes de l'IN2P3. Deux années supplémentaires ont été nécessaires pour finaliser la production et la qualification de toutes les échelles. Malgré les difficultés considérables associées à cette production à la pointe de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), le taux d'échelles qualifiés gold et silver s'est maintenu autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent...) de 91%, ce qui est un véritable succès pour le projet.

Cette réussite est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) du travail acharné d'une équipe performante et soudée, où les difficultés techniques et organisationnelles ont toujours été surmontées dans un état d'esprit de collaboration, de confiance mutuelle mais aussi de plaisir de travailler ensemble et d'amitié. L'aventure continue pour le détecteur MFT, aujourd'hui en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de commissioning en surface, mais aussi pour "l'équipe des échelles" qui, forte de son expérience, travaille déjà au développement de nouvelles techniques d'interconnexion entre puces et FPC, basées en particulier sur la soudure laser.

Contacts: Charlotte Riccio, Cyrille Vuillemin, Stefano Panebianco
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