アトラスシリコン Ⅱ
ATLAS Barrel SCT module の
位置精度および平面度測定
新間 秀一, 加藤 陽一, 秋元 崇, 原 和彦(筑波)
中野 逸夫, 田中 礼三郎(岡山)
高嶋 隆一(京都教育)
海野 義信, 高力 孝, 近藤 敬比古, 寺田 進,
池上 陽一, 氏家 宣彦(高エ研)
岩田 洋世, 大杉 節(広島)
1. 測定目的 ー 何故, 位置精度および平面度が必要か? ー
2. 測定装置
3. 測定方法
4. 位置精度を記述するパラメータ
5. 位置精度結果
6. 平面度を記述するパラメータ
7. 平面度結果
8. まとめ
1. 目的 (何故, 位置測定や平面度測定が必要か?)
位置測定, 平面度測定はモジュールQA (Quality Assurance)の一つであり,
モジュール組み立ての精度要求を満たすかチェックする .
当座は‥‥
1)モジュール組立の精度の測定
2)QAサイクル中の変動量の測定
モジュールQAの流れ
組立
温度サイクル
測定
バーンイン
測定
測定
1. 目的(つづき)
位置精度‥ 荷電粒子の飛跡の再構成の精度はシリコン セン
サーの位置分解能(23 um)により決まる.
この位置
分解能を生かすために, 表裏センサーペアの位置 精度が, z方
向に25 um, r-f方向に 5 umであることを要求する.
平面精度 ‥モジュールのバレル シリンダーへ据え付けは下図の
ように10度の角度をつける.
バレルシリンダー z方向断面図
位置分解能 (23 um)の精度を保つため
に, r-f 方向で8 um 以下のずれである
ことが要求される. したがって10度の重
なり角度のため, 径方向ではx [um] だけ
ずれると考えると, そのずれは
x = 8/sin 10° = 50 um
が要求される.
この量はoptimal Z max lower(upper)という
量で表される.
2. 測定装置
3次元測定器
Mitutoyo Quick Vision
Pro250
測定精度
xy平面に対して1 um以下
(濃淡のパターン認識で測定)
z方向に対して10 um以下
(オートフォーカスで測定)
3次元測定器(写真)
3. 測定方法
モジュールは透明なフィデューシャル
のついたフレームに固定する.
In-Plane survey(位置精度測定)
各センサー6つのフィディユーシャル
マークの(x,y)座標を測定.
表面については, ダウエルホールと ス
ロットの中心座標も測定.
計 26 (x,y)座標より
パラメータを計算
Out-of-Plane survey(平面度測定)
各センサー5x5の格子点の(x,y,z)座標を
測定.
※基準平面はZ1〜Z3の3点がなす平面
計100 (x,y,z)座標より
パラメータを計算
4.1 位置精度を記述するパラメータ
測定された計26 (x,y) 座標より13 個のパ
ラメータを計算
half-stereo: 表面センサーペアと裏面
ンサーペアがなすステレオ角の半分
セ
(sepf, sepb): 表裏それぞれのセンサーペアの
中心間の距離
(a1-a4): 各センサー個別の回転
(midxf, midyf): 表面センサーペアの 重心と
裏面センサーペアの重心間のx方向 (スト
リップに平行), y方向(ストリップと垂直)の
ずれ
(a1〜a4) : 各センサー個別の回転角度
(mhx, mhy): ダウエルホールの座標
(msx, msy): ダウエルスロットの座標
4.2 各パラメータに対する設計値と許容範囲
表センサーペアと裏センサーペアの位置関係を表すmidy の許容
範囲が最も厳しい.
5.1 位置精度結果
測定した(x,y)座標よりパ
ラメータを計算した.
モジュールの位置精度のパラ
メータのうち重要であるmidyf,
half-stereo, a1〜a4の分布を示す.
2つのモジュールが最も重要であ
るパラメータmidyfのtoleranceを超
えてしまっている.
midyfのtoleranceを超えているモ
ジュールは角度についての
toleranceも超える傾向にある.
Before Temperature Cycle
5.2 測定結果
サイクルによる変動量)
(QA
右図はヒートサイクルを行ったこ
とによるパラメータの変動量であ
る.
多くのパラメータはヒートサイク
ル前後で大きく変動していること
が解る(バーンイン後の変化は
小さい).
ところが‥
変動量が大きすぎる.
測定ミスの可能性??
フレームについたフィデューシャルを使うと フ
レームをひっくり返すときにモジュールが動いて
しまう可能性がある.
これからはセンサーのエッジを
基準にした測定を行い,
結果
を比較.
6.1 平面度を記述するパラメータ
測定された100個の(x,y,z)座標より一つのモジュールにつき, 8個
のパラメータを計算する.
モジュールのx, y断面の例
個々のモジュールはセン
サー自身の歪み及び
ベースボードの歪みによ
り形状に個性がある.
平面度に個性があるが, Midplane からのずれに大きな 個
性は無い.
Max Z lower (upper): 基準面から測定した裏面(表面)センサーペアのz座標の最大値
module thickness: モジュールの厚み
6.1 (つづき)
Max Z lower (upper) への要求は, 以下の図で隣り合うセンサー
に触れないために200 um 以内であることが要求される.
(単位: mm)
6.2 Mid-planeを用いたパラメータ
Mid-plane
左上面センサーと左下面センサーの測定された全てのz座標の中
点を計算し, 平面の方程式(z=ax+by+c)でフィット. 得られた平面を
Mid-planeと定義する.
右センサーペアに対しても同様に
Mid-planeを決定.
Mid-plane height
フェイシングからMid-planeまでの厚み相当
optimal Z max lower (upper)
各測定点でMid-planeまでの距離を求める. 計測した全てのモ
ジュールについて, この距離の平均値からのずれを計算する. ずれ
のセンサー内の最大値.
optimal Z RMS lower
(upper)
上で計算したずれの分布のRMS
(上下面それぞれに対して計
算)
7.1 平面度測定結果
右図は平面度を記述する全ての
パラメータの組み立て直後の 結
果である.
組み立て直後には全ての
パラメータがtolerance 以内に
収まっていることが解る.
QAサイクルを行った後に こ
れらの変化がどうなるか?
7.2 平面度測定結果
( QAサイクル後)
右図はヒートサイクル前後のパ
ラメータの変化量である.
ほとんどのパラメータの変化量は
小さいが, 唯一 max Z lower の変
化量が最大約40 umで, 変化量が
大きい.
それに対して max Z upperの変化量は
ほとんどゼロである (バーンイン後の変
化は全てのパラメータでほぼ ゼロ).
表裏センサーペアはベース
ボードを介して接着されてい
るので一方が大きく変化する
のは不自然である.
今後, この現象を解明していく必要が
ある.
8. まとめ
今回, 自動化された組み立てシステムにより製作されたモジュールにつ
いて位置精度と平面度を測定した.
測定の評価をするに当たり, 位置精度には13個, 平面度に対しては 8
個のパラメータを設定した.
位置精度について‥フレームに取り付けられたフィデューシャルを
基準にして測定をすると, 測定中にフレームに対してモジュールが
動いた場合に測定精度が悪くなる可能性がある. これを解決する
ために, センサーのエッジを基準にして測定する方法を考えた. 今
後は二つの測定を行い結果を比較する.
平面度について‥今回製作されたモジュールに関しては全て
toleranceを満たしている.
QAサイクル後にmax Z lowerの値だけが大きく変動するのは 不自
然. この現象が起こる原因を突き止める必要がある.
ダウンロード

ATLAS Barrel SCT module の 位置精度および平面度測定