Die Wissenschaftler am europäischen Kernforschungszentrum CERN stehen vor einer sensationellen Entdeckung: Sollte es sich bei dem neubeobachteten Teilchen tatsächlich um das Higgs Boson handeln, hätte sich die langjährige Suche nach dem „Gottesteilchen“ tatsächlich gelohnt. Das Teilchen, das nach herrschender Teilchentheorie eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Universums nach dem Urknall spielt, würde außerdem das Geheimnis der Teilchenmassen lüften.

Möglich wird diese Entdeckung überhaupt erst durch ein wesentliches Element der Anlage, dessen Aufbau vom Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM entwickelt wurde. Denn wenn Partikelpakete von Wasserstoffkernen auf einem unterirdischen Ring von 8,6 km Durchmesser zu extrem hohen Geschwindigkeiten in jeweils entgegengesetzter Richtung beschleunigt werden, müssen spezielle Detektoren zum Einsatz kommen, die die Entstehung unbekannter, instabiler Teilchen bei der Protononen-Kollision registrieren sollen.

Um die lang ersehnten  Teilchen nachweisen zu können, haben die Fraunhofer-Forscher besondere Detektor-Module aufgebaut, die mit insgesamt 80 Millionen Pixel nahezu zwei Quadratmeter der Innenwand am Kollisionsort auskleiden – gewissermaßen als größte Digitalkamera der Welt. Diese Sensormodule detektieren zweifelsfrei sowohl Aufschlagort als auch Energiemenge der winzigen Teilchen. Dabei befinden sich auf einem visitenkartenkleinen Silizium-Plättchen über 46.000 Pixel.

Eine besondere Herausforderung ist dabei die enorme Datenmenge, die während der Experimente ausgelesen werden muss. Weil alle 25 Nanosekunden erneut Teilchenpakete im Detektor aufeinanderstoßen, müssen alle Pixel mit rasanten 40 MHz einzeln abgefragt werden, was eine riesige Anzahl an Ausleseleitungen notwendig macht. Um dieses Volumen entsprechend zu reduzieren, bedienen sich die Forscher für die Auswerteelektronik der so genannten Flip-Chip-Technik*, einer Spezialität des Fraunhofer IZM. Genau dieses Wissen wurde hier besonders gefordert, denn die Dicke des strahlenharten Chips übersteigt die eines Blatt Papiers nur geringfügig (150 µm). Der vom Fraunhofer IZM realisierte Aufbau reduziert die geometrischen Abmessungen und Signalwege auf ein Minimum und ermöglicht zugleich einen verbesserten elektrischen, mechanischen und thermischen Kontakt.

Bis die enorm effizienten Sensor-Einheiten jedoch zur Auslieferung kommen, durchlaufen sie eine Vielzahl an Zuverlässigkeitstests. Beispielsweise werden sie ¼ Jahr lang Temperaturen zwischen 80 und 150° C und über 1000-fachem extremem Klimawechsel (von -55 bis 125 ° C) ausgesetzt – ohne Beeinträchtigung der einzelnen Kontakte. Diese enorme Zuverlässigkeit mit einer Bauteilausbeute von über 98 Prozent wurde bisher von keinem anderen Forschungslabor erreicht. Und damit nicht genug haben die Experten am Fraunhofer IZM die Pixel-Detektoren nicht nur entwickelt, sondern auch gefertigt und zugeliefert: Über 19.000 einzelne Chips und damit mehr als 1000 Pixel-Module sind es bislang, wofür die Forscher sogar den ATLAS-Supplier-Award gewonnen haben.

* Der FlipChip-Prozess ist ein High-End-Prozess, bei dem der Chip nicht - wie in herkömmlichen Verfahren – am Rand, sondern über die gesamte aktive Fläche mit den Leiterbahnen verbunden wird. Hierzu wird er gedreht (daher der Name „Flip Chip“) und direkt an die Pixelsensoren kontaktiert.

(Text: Marina Müllen)