Solution 3D aluminium hybride

Le gros avantage d’une solution à substrat isolant comme les PCB en FR4 tient au fait qu’on peut faire aisément des vias et choisir de quel côté on souhaite avoir les connecteurs. L’avantage d’une solution à cadre aluminium tient aux bonnes caractéristiques thermiques et à sa bonne tenue mécanique. Nous avons vu qu’il fallait une solution permettant un grand nombre de vias, un bon refroidissement et de bonnes caractéristiques mécaniques. Il fallait donc allier ces deux principes. C’est tout naturellement que nous nous sommes tournés vers une solution hybride alliant les avantages de l’aluminium passivé et ceux des supports PCB isolants.

Rémi Baumann qui a été en charge de cette R&D a proposé une solution hybride où un circuit PCB-FR4 vient s’insérer dans un lamage d’un cadre aluminium passivé. À nouveau, nous sommes passés par une phase de validation de la faisabilité de ce grand lamage. Cette phase de prototypes mécaniques nous a fait apparaitre un certain nombre de faiblesses mécaniques liées aux positionnements des deux ouvertures prévues pour réaliser les bondings des plans de champ et anneaux de gardes du côté ohmique. Nous les avons déplacés et avons finalement obtenu une version parfaitement compatible avec le cahier des charges.

Après cette phase de validation mécanique au niveau de l’atelier par E. Dangelser et du bureau d’études par E. Gamelin, nous avons fait réaliser des cadres que nous avons envoyés en passivation. En parallèle, R. Baumann a effectué le routage de la carte PCB et nous avons

Le détecteur Tunnel de S3-SIRIUS version "3D" Le concept 3D F FP GN D R G R F L A G N D G N D GN D GN D F G R G N D G N D G N D R FP GN D GN D GN D S 3 S I R I U S T U N N E L 3 D C C O I P H C - 1 1 / 2 0 1 4 F F P GN D R G R F L A G N D G N D G ND G ND F G R G N D G N D G N D R FP G ND GN D GN D S 3 S I R I U S T U N N E L 3 D C C O I P H C - 1 1 / 2 0 1 4 1 3 .0 2 1 .0 1 3 . 0 1 0 0 . 5 S 3 S I R I U S T U N N E L 3 D C C O I P H C - 1 1 / 2 0 1 4 S 3 S I R I U S T U N N E L 3 D C C O I P H C - 1 1 / 2 0 1 4 T u n n e l S 3 1 0 0 . 4 2 X 1 0 0 . 4 2 E p . 6 7 0 µ m c ô t é O h m i q u e ( B a c k ) T u n n e l S 3 1 0 0 . 4 2 X 1 0 0 . 4 2 E p . 6 7 0 µ m c ô t é J o n c t i o n ( F r o n t )

Figure 8.4 – Vue conceptuelle de la solution hybride aluminium/PCB-FR4. Le support

aluminium reçoit dans le lamage dédié, le circuit PCB-FR4 et le détecteur silicium.

fait réaliser le prototype correspondant. On peut voir le prototype de ce cadre à différentes étapes de tests sur la figure 8.5. Après validation de ce prototype, de son insertion et collage dans le cadre aluminium anodisé, nous sommes partis pour une production de série de ces cadres hybrides.

La finesse de ses cadres nécessite des précautions particulières au moment de leur mani-pulation. Afin de garantir la préservation de la géométrie lors des opérations de collage du circuit PCB-FR4 et du détecteur silicium, nous avons réalisé une plaque de manipulation qui fixe la géométrie et la planéité du cadre. Une fois le détecteur collé sur le cadre, cet ensemble présente une très bonne tenue mécanique. Cependant, la fragilité liée au détec-teur silicium fait que ces manipulations restent délicates et doivent n’être confiées qu’à des personnes habilitées.

Afin de garantir une bonne connexion de masse, la face interne du lamage dédié à recevoir le circuit PCB-FR4 a été protégée durant les phases d’anodisation du cadre. On la voit plus brillante sur l’image de gauche de la figure 8.5. En outre, un trou taraudé a été réalisé dans le cadre afin de garantir un bon contact lors des opérations d’anodisation et un bon contact de masse à long terme entre ce cadre et le circuit PCB. En effet, le collage du circuit PCB-FR4 a été réalisé avec une colle chargée à l’argent à faible dégazage. Même

Le détecteur Tunnel de S3-SIRIUS version "3D" Le concept 3D

Figure 8.5 – Vues du prototype du cadre hybride. À gauche, le cadre vide revenu

d’ano-disation et le même cadre avec le PCB-FR4. Sur la droite, le même cadre avec le silicium mécanique pour essais de montage.

si nous avons déterminé, en contact direct avec un conseiller EPOTEK, quelle est la colle la mieux adaptée à nos contraintes techniques, nous avons fini par avoir une réaction à dynamique très lente entre l’argent de la colle et l’aluminium du support. On s’attend donc à ce que la qualité du contact de masse du collage se dégrade lentement mais sûrement, aussi bien fait soit-il. Nous avons confié les opérations de collage circuit PCB-FR4 et de soudure de connecteurs SAMTEC sur ces derniers au service de micro-technique de l’IPHC qui les a réalisées avec précision et professionnalisme.

Pour résumer, les avantages de cette solution hybride sont : — possibilité de réaliser un cadre 2D et/ou 3D,

— compatible avec une solution ohmique à l’intérieur aussi bien que ohmique à

l’exté-Figure 8.6 – Vue de la maquette 3D avec des cadres hybrides. Un cadre vide de DSSD

MUSETT a été placé sur son support d’adaptation pour son positionnement sur les détec-teurs Tunnel. Dans cette maquette des plaques de graphite remplacent le silicium.

Le détecteur Tunnel de S3-SIRIUS version "3D" Le concept 3D rieur,

— une bonne conductivité thermique (même avec la couche passivée isolante), — une dilatation thermique compatible avec le silicium,

— la possibilité de réaliser un lamage pour loger le silicium, — un faible dégazage,

— un faible prix (40 euros par support), et les inconvénients sont les suivants :

— la conductibilité électrique du cadre aluminium nécessite une passivation des faces internes,

— l’usinage délicat du fait de la finesse de la pièce,

— dégradation lente du contact de masse entre PCB-FR4 et le cadre alu (compensé par une vis et un pad de contact en or sur le PCB-FR4).