Upgrading the SCARLET X-ray readout ASIC: internal ADC study and characterization and new test setup

X-ray spectroscopy plays a central role in fields such as materials science, biology, chemistry, and cultural heritage preservation. Its ability to provide non-destructive, elementspecific information with high sensitivity makes it indispensable for applications ranging from synchrotron-based experiments to portable field instruments. The continuous demand for higher throughput, compactness, and energy resolution has led to the development of Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) for detector readout. A particularly promising approach is the use of hybrid pixel detectors, where monolithic arrays of silicon drift detectors (SDDs) are directly coupled to a custom readout ASIC. This architecture minimizes parasitic capacitance and enables full on-chip analog pulse processing and digitization, while maintaining scalability and robustness against external interference. This thesis focuses on the SCARLET project, an ASIC-based hybrid pixel detector system designed for energy-dispersive X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy. The research addresses two main aspects: (i) the development and validation of new system boards and the refinement of the bump-bonding process to ensure reliable integration of the SDDs with the ASIC;(ii) the study and characterization of the on-chip SAR analog-to-digital converter (ADC), whose non-idealities, specifically missing codes and non-linearities, were analyzed to evaluate their effect on spectroscopic performance. By combining a new test setup development, prototype testing, and detailed ADC analysis, the work contributes to improving the overall system stability and to guiding future iterations of the SCARLET ASIC. The thesis is organized as follows: • Chapter 1 reviews the fundamentals of X-ray spectroscopy and detector design, with emphasis on energy-dispersive systems, figures of merit such as energy resolution and noise, and the operation of silicon drift detectors (SDDs) coupled with charge-sensitive amplifiers. This chapter also introduces the motivations behind the SCARLET project. • Chapter 2 presents a comprehensive overview of the SCARLET system. It describes the architecture of the ASIC, the structure of the SDDs developed by FBK, and the integration through bump-bonding technology. The chapter also illustrates the hardware, firmware, and software elements of the characterization setup used to test the system. • Chapter 3 focuses on the design and implementation of new SCARLET system boards, including the motherboard, biasing board, and carrier. Motivations for the redesign, choices in analog/digital partitioning, and layout considerations are discussed in detail, emphasizing improvements in modularity, noise isolation, and reliability. • Chapter 4 reports on system validation, debugging, and the optimization of the bump-bonding process. Initial challenges such as missing or unstable connections are analyzed, followed by systematic optimization of process parameters to achieve stable and reproducible assemblies. The chapter demonstrates how the refined methodology improved integration quality and long-term stability. • Chapter 5 investigates the internal 12-bit SAR ADC embedded in the SCARLET ASIC. The architecture is described, followed by a detailed experimental study of its behavior. Missing codes, differential non-linearity, and comparator-induced distortions are characterized both with and without the serializer enabled. The findings clarify the effective resolution (11 bits) and provide insights into the origins of the observed limitations, with implications for spectroscopic performance. • Chapter 6 concludes the work by summarizing the main results: the successful stabilization of the bump-bonding process, the validation of the redesigned boards, and the detailed ADC characterization. It also outlines possible future developments, including improvements to the comparator design and refinement of the serializer.

La spettroscopia a raggi X riveste un ruolo centrale in campi quali la scienza dei materiali, la biologia, la chimica e la conservazione dei beni culturali. La sua capacità di fornire informazioni non distruttive, specifiche per elemento e altamente sensibili lo rende indispensabile per applicazioni che vanno dagli esperimenti con sincrotrone agli strumenti portatili da campo. La crescente domanda di sistemi compatti, ad alta risoluzione energetica e in grado di gestire elevati flussi di conteggio ha portato allo sviluppo di circuiti integrati specifici per applicazione (ASIC) dedicati alla lettura dei rivelatori. Un approccio particolarmente promettente è rappresentato dagli hybrid pixel detectors, in cui matrici monolitiche di Silicon Drift Detectors (SDD) sono direttamente accoppiate a un ASIC di lettura dedicato. Questa architettura riduce al minimo la capacità parassita e consente l’elaborazione analogica completa e la digitalizzazione direttamente on-chip, garantendo al contempo scalabilità e robustezza nei confronti delle interferenze esterne. La presente tesi si concentra sul progetto SCARLET, un sistema basato su hybrid pixel detector, sviluppato per la spettroscopia a fluorescenza X (XRF) in modalità dispersiva in energia. Il lavoro affronta due aspetti principali: (i) lo sviluppo e la validazione di nuove schede di sistema e l’ottimizzazione del processo di bump-bonding per garantire un’integrazione affidabile degli SDD con l’ASIC; e (ii) lo studio e la caratterizzazione del convertitore analogico-digitale (ADC) SAR on-chip, le cui non idealità, in particolare i codici mancanti e le non linearità, sono state analizzate per valutarne l’impatto sulle prestazioni spettroscopiche. Attraverso attività di debug hardware, test sistematici e un’analisi dettagliata dell’ADC, questo lavoro contribuisce a migliorare la stabilità complessiva del sistema e fornisce indicazioni per le future evoluzioni dell’ASIC SCARLET. La tesi è organizzata come segue: • Capitolo 1 introduce i fondamenti della spettroscopia a raggi X e della progettazione dei rivelatori, con particolare attenzione ai sistemi dispersivi in energia, alle figure di merito come la risoluzione energetica e il rumore, e al funzionamento degli SDD accoppiati ad amplificatori a carica sensibile. Il capitolo presenta inoltre le motivazioni alla base del progetto SCARLET. • Capitolo 2 offre una panoramica completa del sistema SCARLET. Viene descritta l’architettura dell’ASIC, la struttura degli SDD sviluppati da FBK e la loro integrazione tramite tecnologia di bump-bonding. Il capitolo illustra anche gli elementi hardware, firmware e software del setup di caratterizzazione utilizzato per i test. • Capitolo 3 è dedicato alla progettazione e realizzazione delle nuove schede del sistema SCARLET, comprendenti la motherboard, la scheda di biasing e la carrier. Sono discusse in dettaglio le motivazioni alla base del redesign, le scelte di partizionamento analogico/digitale e le considerazioni di layout, con particolare enfasi sui miglioramenti in termini di modularità, isolamento dal rumore e affidabilità. • Capitolo 4 descrive la validazione del sistema, le attività di debugging e l’ottimizzazione del processo di bump-bonding. Vengono analizzate le problematiche iniziali, come connessioni mancanti o instabili, e illustrate le ottimizzazioni dei parametri di processo che hanno portato a realizzare assemblaggi stabili e riproducibili. Il capitolo dimostra come la metodologia raffinata abbia migliorato la qualità dell’integrazione e la stabilità a lungo termine. • Capitolo 5 analizza l’ADC SAR a 12 bit integrato nell’ASIC SCARLET. Dopo una descrizione dell’architettura, viene presentato uno studio sperimentale dettagliato del suo comportamento. Sono caratterizzati i codici mancanti, la non linearità differenziale e le distorsioni introdotte dal comparatore, sia con serializer attivato che disattivato. I risultati chiariscono la risoluzione effettiva (11 bit) e forniscono indicazioni sulle origini delle limitazioni osservate, con implicazioni dirette sulle prestazioni spettroscopiche. • Capitolo 6 conclude il lavoro riassumendo i principali risultati: la stabilizzazione del processo di bump-bonding, la validazione delle nuove schede e la caratterizzazione dettagliata dell’ADC. Infine, vengono discusse le possibili evoluzioni future, tra cui miglioramenti al design del comparatore e ottimizzazioni del serializer.