Dottorato in Fisica Maggio 2005“Fisica dei rivelatori” Rivelatori al silicio (Lezione 2/2)
Rivelatori al silicio(Lezione 2/2)
V. Manzari – INFN [email protected]
Introduzione alla fisica dei rivelatori a semiconduttore negli esperimenti di fisica
delle alte energie
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Programma
2 Seminari non possono coprire interamente un campo tanto vasto
Lezione 1- Introduzione- Principi di funzionamento
Lezione 2- Rivelatori classici: Microstrip e Pixel- Rivelatori a memoria: Drift, CCD- Sviluppi in corso- Danno da radiazione
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Principle of detection (1/2)
to produce one pair of charge carrier in silicon (e-h pair) one needs only 3.6 eV energy compare to ~30 eV in a gasdensity of silicon is much higher than that of a gas
- MIP produces about 100 e-h pairs per 1µm of silicon- to produce this charge in gas one needs cm’s
a typical silicon detector is produced from a plate of highresistivity n-doped silicon of ~300µm thicknesson one side a thin p-doped layer is produceda reverse bias voltage is applied (i.e. positive potential onn-side, negative on on p-side) in order to
- fully deplete the silicon of free charge carriers- to produce the electric field for drifting electron and holes to
opposite surfaces where a read out structure is organized
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a MIP produces in a typical detector a charge of about25 000 electrons
- no amplification inside the detector (unlike in gas detectors) is needed
benefiting from well developed silicon technologydifferent readout structures can be produced
Principle of detection (2/2)
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Si substrate for detector
Production of a FZ siliconingot…
… at this stage almost alldetectors look still the same
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Rivelatori classici:
Microstrip e Pixel
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Rivelatori classici
Rivelatori classici:- giunzione p+n rettificante polarizzata
inversamente per lo svuotamento- giunzione n+n per il contatto ohmico
Le cariche mobili prodotte dalla radiazione ionizzante sono rimosserapidamente ⇒ ottimi per esperimenti di fisica delle alte energie
- Microstrip single e double side
- Pixel
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What is a microstrip detector?
p-i-n diode
Patterned implants as strips– One or both sides
Connect readout electronics to strips
Radiation induced signal on a strip due to passage under/close to strip
Determine position from strip hit info
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Single sided Strip DetectorSegmentation of the p+ layer into strips (Diode Strip Detector) and
connection of strips to individual read-out channels gives spatial information
typical thickness: 300µm (150 - 500µm used)
using n-type silicon with a resistivity ofρ = 5 KΩcm (ND ~ 1012cm-3)results in a depletion voltage ~ 100 V
n-type silicon
+ -+ -
+ -+ -
+ -+ -
n+ silicon Al
p+ siliconh+
e-
AlSiO2
readout capacitances
≈ 300µm
pitch
Resolution σ depends on the pitch p (distance from strip to strip)- e.g. detection of charge in binary way (threshold discrimination)
and using center of strip as measured coordinate results in
⇒ typical pitch values are 20 – 150 µm ⇒ 50 µm pitch results in 14.4 µm resolution
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Analog readoutAnalog readout (measurement of signal height) of every strip leadsto substantial improvement of position resolution, however notevery strip has to be read out:
Charge division readout reduces the number of readout channelsas only a fraction of the strips is connected to readout amplifier.
Charge collected at the interpolation strips is divided between the two neighboring readout channels according to the relative position.
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Bias resistor and AC couplingBias resistor
• Need to isolate strips from each other tocollect/measure charge on each strip
⇒ high impedance bias connection (≈ 1MΩ resistor)
Coupling capacitor• Couple input amplifier through a capacitor (AC coupling) to avoid large DC input from leakagecurrent
Integration of capacitors and resistors on sensor• Bias resistors via deposition of doped polysilicon• Capacitors via metal readout lines over the implants but separated by an insulating dielectriclayer (SiO2,Si3N4)
Couplingcapacitor
Biasresistor
⇒ nice integration⇒ more masks, processing steps⇒ pin holes
n-bulk
AlSiO2
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What does it look like?P+ contact on front of n- bulkImplants covered with thin thermal oxide (100nm)– Forms capacitor ~ 10pF/cm
Al strip on oxide overlapping implant– Wirebond to amplifier
Strips surrounded by a continuous p+ ring– The guard ring– Connected to ground– Shields against surface currents
Implants DC connected to bias rail– Use polysilicon resistors– Bias rail DC to ground
HV
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Basic building blocks
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1-d vs. 2-d detectors
Many of the detectors measure just one dimension– silicon strip detectors (as well as MWPCs, drift chambers, straw
tubes)– In this case usually more than one layer is used with different
angles (kind of stereo projection)
-Two close hits could produce two ghost hits
-Ambiguity area ∝ sin Θ
-The precision in the second coordinate goesas ∝ sin-1 Θ
Θ
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1-d vs. 2-d detectors
to resolve ambiguity in some cases additional information is available
– charge correlation when the signals for the two angles were produced by the same ionization process
– a nearby detector with yet different angles• to have next a detector with the same angles does not help
because then also the ghost hits correlates
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1-d vs. 2-d detector
The true two dimensional detectors, like– cathode pad chambers– silicon pixel– silicon drift detectors
are much more robust in high particle density environmentand more expensive!
Therefore most of the modern experiments use close to the interaction point silicon pixel detectors
1-d detectors with stereo angle at larger distances
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Double sided silicon strip detectorGet a 2nd coordinatePut n+ and p+ strips on opposite sides and read them both
Problem: Electron accumulation layern+-strips are not isolated because of an electronaccumulation layer at the Si-SiO2 interface. Thiseffect is due to the presence of positive charge inSiO2 layer which attracts electrons.
Solution: “Break” accumulation layer- p-strips in between the n-strips (“p-stop”)- moderate p+-implantation over all surface (“p-spray”)- “field plates” (metal over oxide) over the n+-strips and applynegative potential with respect to n+-strips to repel electrons.
Al SiO2
p+
p-stop
p-spray
field plates
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Silicon Pixel detectors
instead of strips a pixel structure is produced on one side of the silicon plate
typical dimensions ~ 50 x 400 µm2
– at least in one dimension resolution as for strip detector
problem is how to read it out, to each pixel an amplifier circuitry has to be connected– use of special designed readout chip bump-bonded on the
detector silicon– development of monolithic detectors with CCD type of
electronics
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Silicon Pixel detectors
Advantages:– a true two dimensional micro-detector– very low noise (small capacitance)– relatively fast detector (depends on multiplexing)– excellent pattern recognition capability for high
particle densityDisadvantages:– very fragile– challenging technology
bumpbonds
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Hybrid Silicon Pixel Detector
segment silicon to diode matrix with high granularity(⇒ true 2D, no reconstruction ambiguity)
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Hybrid Silicon Pixel Detector
readout electronic with same geometry(every cell connected to its own processing electronics)connection by “bump bonding”requires sophisticated readout architectureHybrid pixel detectors will be used in all LHC experiments:ATLAS, ALICE, CMS and LHCb
detectorP+
bump
electronics
+_h+e-
Ionizing particle
detectorP+
bump
electronics
+_h+e-
Ionizing particle
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Flip-chip assembly
Pb-Sn Bump Bond
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1
Wafer cleaningsubstrato
passivazione Pad in Al
Eliminazione fotoresist
Eliminazione del Cu
Reflow Eliminazione del TiW
2 3 4 5 6
7 8
Deposizione del metallo di campo
CuTiW
Elettrodeposizione di Ni (UBM) &
Soldering (SnPb)
Ni (UBM)
SnPb
Fotoresist&
fotolitografia
fotoresist
Temperatura di reflow 230 °C
Bumps depositati solosul lato elettronica (FEE)
Elettrodeposizine di SnPb (VTT)
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Bumps depositati su entrambi i substrati
1 2 3 4
5Wafer Cleaning Plasma activationFotoresist
&fotolitografia
Deposizione Id
Lift off
In
No reflow, temperatura < 100 °C
Evaporazione di In (AMS)
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Silicon Pixel Detector
Readout
chips
Detector ladders
Kapton
Ladder
supports
Thinceramic(300µm)
Readout
chips
Detector ladders
Kapton
Ladder
supports
Thinceramic(300µm)
WA97/NA57 fixed target experiments at CERN SPS
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Silicon Pixel Detector
Reconstructed tracks inWA97 silicon pixel telescope
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• B-field < 0.5 TALICE
Rout=43.6 cm
2 strips
2 drifts
2 pixels
Silicon Pixel Detector
Parameter Pixels Drifts Strips radius (inner plane) cm 3.9 14.9 38.5 radius (outer plane) cm 7.6 23.8 43.6 cell size (rϕ × z) µm2 50 × 425 294 × 150 95 × 40000resolution (rϕ) µm 12 35 15 resolution (z) µm 100 23 730 max. occupancy % 2.1 2.5 4 max. expected dose (10 years) krad 250 13 2 total area m2 0.24 1.3 4.9 total no. of channels 9.8 M 133 k 2.6 M material budget (both layers) % X0 2.06 1.89 1.78
Inner SPD layerpseudorapidity coverage: |η| < 1.95
[ITS coverage |η| ≈ 0.8]
ALICE Inner Tracking System and Silicon Pixel Detector
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• Mixed signal (analogue, digital)
• Produced in a commercial 0.25µm CMOS process (8” wafers)
• Radiation tolerant design (enclosed gates, guard rings)
• 8192 pixel cells• 50 µm (rφ) x 425 µm (z) pixel cell• ~100 µW/channel• ~1000 e- mean threshold (~200 e- RMS)
• ~120 e- mean noise
13.5 mm
15.8 mm
ALICELHCb1 pixel ASIC
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•1 p-in-n silicon sensor (Canberra): 200µm thick•5 readout chips: 750µm native thickness• thinned to 150µm after bump deposition• 40960 bump bonds
• Idet @50V=120-200nA, Vfd=15VSr-Measurements :
Chip43 Chip46 Chip42 Chip32 Chip30Working pixels 99.7% 99.95% 99.98% 99.98% 100%Missing pixels 28 4 2 2 0
Chip 43 Chip 46 Chip 42 Chip 32 Chip 30
SPD detector ladder
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SPD module assembly
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Rivelatori a memoria:
CCD e Drift
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Rivelatori a memoria ⇒ giunzioni rettificanti p+n su entrambe le superfici:
- e- di ionizzazione non sono rimossi e rivelati immediatamente (µstrip e pixel), ma confinati all’interno del detector e trasportativerso un elettrodo di raccolta (anodo)
- durante la deriva parallelamente alla superficie del detector,la nube di e- conserva l’informazione (memoria) relativa allaposizione di attraversamento della radiazione
⇒ trasporto della carica piccole dimensioni dell’anodo piccola capacità anodica ridotto contributo al rumore del preamplificatore
⇒ struttura degli elettrodi più complessa dei rivelatori classici
⇒ principali tipi di rivelatori a memoria: - Charge Coupled Devices (CCD)- Silicon Drift Detectors (SDD)
Rivelatori a memoria
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CCD completamente svuotati:- particella ionizzante coppie e-h h+ si muovono verso gli
elettrodi p mentre gli e- sono confinati in corrispondenza del minimodi potenziale negativo (energia potenziale)
- matrice bidimensionale fino a ≈ 106 pixel/cm2 (pixel ∼10·10µm2)
Funzionamento:- la carica di ionizzazione confinata in un pixel è spostata al successivo
mediante un potenziale variabile periodico, senza perdita di e-- la nube di e- raggiunge l’ultima cella dove è rivelata mediante un
opportuno stadio di preamplificazione
Charge Coupled Devices (CCD)
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Alcune peculiarità:- capacità della cella di raccolta molto piccola ⇒ ottimo rapporto S/N- pompaggio degli e- attraverso il rivelatore ⇒ le celle individuali
di memoria sono ripulite dagli e- prodotti per generazionetermica nel substrato e alle giunzioni
- 2D detector ⇒ informazione relative ad entrambe le coordinate spaziali, senza ambiguità accuratezza spaziale ≈10 µm
- tempi di lettura molto lunghi ≈ 10 msec ⇒ impiego limitato inesperimenti di fisica delle alte energie pile up!
- buona risoluzione energetica e spaziale ⇒ utilizzati per videocamere e in astronomia per spettroscopia di raggi X
Charge Coupled Devices (CCD)
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Charge Coupled Devices (CCD)
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Readout in 2 dimensioni da un rivelatore a silicio può essereimplementato in un altro modo (E. Gatti, P. Rehak)
Rivelatore di Silicio a Deriva
Un sistema di impiantazione ad alta tensione produce un campo dideriva verso un sistema di anodi di raccolta realizzato su uno dei latidel rivelatore
Analogo alle camere a deriva a gas:
- elettroni derivano all’interno del rivelatore e sono raccolti da un elettrodo segmentato ⇒ anodi
- 2 coordinate spaziali ⇒ anodi e tempo di deriva
Silicon Drift Detectors
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Principle of sideways depletionp+ segmentation on both sides of n-type silicon sensorcomplete depletion of wafer from segmented n+ anodes located at one side of sensorelectrons drift parallel to substrate surface to n+ anodesvoltage divider network (resistors) forp-strips to provide uniform drift field
Potential energy
anode
x
z y
Silicon Drift Detectors
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Il campo elettrico dovuto alle cariche fisse non compensate, confinagli elettroni in una regione a potenziale negativo che deve soddisfarel’equazione di Poisson in due dimensioni
ove φ(x,y) è il potenziale negativo, δ(x,y) la densità di carica spazialeed εSi la costante dielettrica assoluta del silicio.
x
z y
Silicon Drift Detectors
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Per comprendere il funzionamento del SDD (in generale dei rivelatori amemoria), è necessario descrivere il campo elettrico in almeno 2dimensioni (non dipende da z) ⇒ somma di 2 termini:
- Potenziale parabolico soluzione dell’eq. di Poisson in una dimensione (coord. x)
- Termine lineare campo di deriva Ed (coord. y)
Espressione del potenziale:
εr = 11.9 per Si e z0 = z al minimo del potenziale negativo
- termine parabolico focalizzazione degli e- nel piano mediano - termine lineare deriva degli e- verso gli anodi di raccolta
Silicon Drift Detectors
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Potential energy
anode
Nella zona di deriva l’andamento mostrato è ottenuto imponendo una polarizzazionenegativa simmetrica sulle strip p+ delledue facce del rivelatore e decrescenteverso gli anodi di raccolta.
Nella zona di raccolta il potenziale impostodeflette il canale di deriva verso lasuperficie del rivelatore ove sonoimpiantati gli anodi n+.
⇒ raccolta efficiente anodi al minimo di energia potenziale
Silicon Drift Detectors
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Principio di funzionamento:e- di ionizzazione focalizzati dal campo E nel piano mediano del
rivelatore e trasportati verso gli anodi dal campo parallelo alla superficie
Tempo di deriva degli e- misurato come ritardo del segnale indotto sugli anodi dalla nube di e- di ionizzaqzione rispetto al tempo di attraversamento della radiazione incidente ⇒ tempo di deriva ∝ alla distanza tra anodi e punto di attraversamento
Anodo segmentato ⇒ rivelatore bidimensionale: coordinata perpendicolare alla direzione di drift ⇒ centroide della distribuzione dell’ampiezza dei segnali agli anodi
Repulsione coulombiana, collisioni, etc. ⇒ diffusione trasversa: distribuzione (quasi) gaussiana degli e- di ionizzazione agli anodi e solo per impatti molto vicini agli anodi la raccolta avviene su un solo anodo
Silicon Drift Detectors
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Commenti:Correnti di fuga e fluttuazioni statistiche della forma del segnale
limitano l’accuratezza spaziale ottenibile
Diffusione e repulsione elettrostatica ⇒ dispersione degli e- agli anodi è funzione del tdrift ( per un singolo e- la dispersione del punto di arrivo è pari a ≈150µm per un tdrift ≈1µm)
Ridotte dimensioni degli anodi ⇒ piccola capacità anodica (≈ 0.1 pF) praticamente indipendente dalle dimensioni del rivelatore
Integrazione di uno stadio di preamplificazione sul substrato ad alta resistività per eliminare la capacità di connessione, molto più grande della capacità anodica.
SDD consente la misura di posizione e di energia con precisione tipica dei rivelatori a silicio ma con un numero di canali di lettura ordini di grandezza minore a parità di area sensibile.
Silicon Drift Detectors
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Commenti:
per sfruttare il meccanismo di trasporto degli e- come misura di unacoordinata spaziale la densità di impurità elettricamente attive nel Si deveessere molto uniforme:
- Silicio Neutron Trasmutation Doped (NTD)- Si drogato convenzionalmente (float-zone) p-type, di resistività molto
elevata (purezza) irradiato con neutroni termici
Silicon Drift Detectors
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In sintesi:
SDD sfrutta un meccanismo di trasporto degli e- di ionizzazione analogo a quello dei CCD con un tempo di confinamento alcuni ordini di grandezza minore
Fornisce una elevata precisione spaziale con un numero ridotto di canali, ma:- lento ⇒ tdrift ≈µsec- calibrazione frequente ed accurata- stabilità della temperatura ≈0.1 °C (µ ∝ T-2.4)
Applicazioni in High Energy Physics: STAR at RHIC and ALICE at LHC
Silicon Drift Detectors
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Sviluppi in corso:
MAPS, DEPFET, 3-D, …
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Monolithic silicon pixel detector (MAPS)
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DEPleted Field Effect Transistor (DEPFET)
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New detector concepts: 3D detectors
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Co-axial detector– Arrayed together
Micron scale
Pixel device– Readout each p+ column
Strip device– Connect columns together
3-D device
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Equal detectors thickness W2D>>W3D
h+
e-
-ve +veSiO2
W3D
E
Bulkh+
e-
+ve
E
p+
n
n+
- Carriers drift total thickness of material
- Carriers swept horizontally- Drift short distance between electrodes
W2D
+ve -ve-ve -ve
Advantegs: if electrodes are close- Low full depletion bias - Low collection distances- No charge spreading - Fast charge sweep out- Thickness NOT related to collection distance
Operation
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Form an array of holesFill them with poly-siliconAdd contacts– Can make pixel or strip devices
Bias up and collect charge
A 3-D device
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Cenni sui danni da radiazione
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Radiation level at LHC and SLHC
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Microscopic defects
Particle dependence
Radiation Damage
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Impact of defects on detector properties
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Radiation Damage in Silicon Sensors
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Radiation Damage – I. Depletion Voltage
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Radiation Damage – II. Leakage Current
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Radiation Damage – III. CCE
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R&D : Radiation tolerant tracking detectors
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New Material: Oxygen enriched silicon – DOFZ
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n-in-n vs p-in-n
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Extra: wire-bonding
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Wire-bonding
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• ~1200 Wire bonds/half-stave• 25µm diameter wire• Bonding pads on the bus: 80 x 300µm2
• Step height: 40-60µm
Wire bonder: FEK Delvotec 6400
Wire-bonding of the SPD module
Fast-OR
VCC Layer 1.8 (V)GND Layer
DATA 0..15 DATA 16.. 31Reference & JTAG Control signals