Production, quality assurance and quality control of the SiPM Tiles for the DarkSide-20k Time Projection Chamber

Zykova, M.P.; Zuzel, G.; Zichichi, A.; Zhu, T.; Zhang, Y.; Zani, A.; Zakhary, P.; Zabihi, A.; Yin, J.; Yang, C.; Wojcik, M.; Wojcik, M.M.; Williams, L.; Westerdale, S.; Wang, Y.; Walczak, M.; Wada, M.; Vyas, B.; Vossebeld, J.; Vogelaar, R.B.; Vishneva, A.; Viel, S.; Viant, T.; Ventura, P.; Van Uffelen, M.; Unzhakov, E.V.; Tullio, S.; Tricomi, A.; Torres-Lara, S.; Thompson, A.; Thieme, K.; Testera, G.; Taylor, J.; Taylor, A.; Tartaglia, R.; Taborda, O.; Szelc, A.M.; Suvorov, Y.; Sunny, C.; Sung, A.; Stracka, S.; Stornelli, V.; Steri, A.; Spangenberg, M.; Spadoni, F.; Smith, B.; Smirnova, T.; Smirnov, O.; Skorokhvatov, M.D.; Skensved, P.; Simeone, M.; Sheshukov, A.; Sharma Poudel, S.; Shalamova, V.; Sestu, M.; Semenov, D.A.; Scioli, G.; Schuckman, F.G.; Scapparone, E.; Savarese, C.; Sargeant, I.; Santos, E.M.; Santorelli, R.; Santone, D.; Sanfilippo, S.; Samoylov, O.; Salomone, P.; Sabia, M.A.; Runge, J.; Rudik, D.; Rubbia, A.; Rossi, M.; Romero, L.; Rogers, G.; Roberts, C.; Roberts, A.; Rivetti, A.; Ritchie-Yates, A.; Rignanese, L.P.; Retiere, F.; Resconi, S.; Rescigno, M.; Repond, A.; Renshaw, A.L.; Razeti, M.; Ravinthiran, S.; Ramirez, A.; Ramachers, Y.; Ragusa, F.; Raffaelli, F.; Queiroga Bazetto, M.; Puglia, S.; Pronesti, M.; Price, D.; Preosti, E.; Pralavorio, P.; Pordes, S.; Pocar, A.; Plante, G.; Pino, N.; Piacentini, S.; Pesudo, V.; Perez, R.; Pelczar, K.; Peck, A.; Pavarani, R.; Paternoster, G.; Pastuszak, G.; Park, B.; Papi, D.; Paoloni, E.; Pantic, E.; Pandola, L.; Pallavicini, M.; Padmanabhan, A.; De Solorzano, A.O.; Organtini, P.; Oleynikov, V.; Oleinik, A.; Olchanski, K.; Nowak, J.; Nikulin, I.; Nikoloudaki, E.; Nikolopoulos, K.; Nieradka, G.; Nessi, M.; Nania, R.; Musico, P.; Murra, M.; Muratova, V.N.; Mroz, T.; Morsy, A.; Morrocchi, M.; Moretti, E.; Monroe, J.; Mitra, A.; Minutoli, S.; Milincic, R.; Messina, A.; Merzi, S.; Mcdonald, A.B.; Mavrokoridis, K.; Matteucci, G.; Martoff, C.J.; Martinez, M.; Maricic, J.; Mariani, C.; Mari, S.M.; Marasciulli, A.; Mapelli, L.; Manthos, I.; Manecki, S.; Machulin, I.N.; Machts, I.; Macfadyen, O.; Lychagina, O.; Luzzi, L.; Lissia, M.; Lipp, J.; Lidey, L.; Leoni, A.; Leason, E.; Le Guirriec, E.; Lai, M.; La Commara, M.; Kuzwa, M.; Kuzniak, M.; Kuss, M.; Kunze, P.; Kubankin, A.; Koulosousas, S.; Kotsiopoulou, L.; Korga, G.; Kondo, K.; Klenin, A.; Kimura, M.; Kemp, A.; Kemmerich, N.; Keloth, R.; Jillings, C.; Jamil, A.; Ippolito, V.; Ianni, A.; Hungerford, E.V.; Hugues, T.; Huff, D.; Hubaut, F.; Hu, J.; Horikawa, S.; Hollingham, J.; Hidalgo, C.; Hessel, T.; Harrop, B.; Haranczyk, M.; Hamer, A.; Hallin, A.L.; Hackett, B.R.; Gulino, M.; Gromov, M.; Grobov, A.; Grilli Di Cortona, G.; Grauso, G.; Grandi, L.; Gola, A.; Goicoechea Casanueva, V.; Giovanetti, G.K.; Gendotti, A.; Gawdzik, A.; Garcia Abia, P.; Garbini, M.; Gallina, G.; Galinski, G.; Galbiati, C.; Gahan, D.; Gabriele, F.; Frolov, E.; Frandini Gatti, H.; Franco, D.; Franchini, P.; Fleming, D.; Fiorillo, G.; Ficorella, A.; Ferro, L.; Fernandez Diaz, M.; Fearon, N.; Erjavec, T.; Ellingwood, E.; Elersich, A.; Dylon, F.; Dronik, V.; Dordei, F.; Dolganov, G.; Dionisi, C.; Diaz Mairena, D.; Dias, L.K.; Di Stefano, P.; Di Noto, L.; Devoto, A.; Derbin, A.V.; Dellacasa, G.; De Cecco, S.; De Asmundis, R.; Davini, S.; Darbo, G.; Dainty, A.; Da Rocha Rolo, M.D.; D'Auria, S.; D'Aniello, M.; Czubak, M.; Costa, B.S.; Cortez, A.F.V.; Consiglio, L.; Conde Vilda, E.; Colaiuda, D.; Cocco, V.; Coadou, Y.; Cleveland, B.; Cifarelli, L.; Choudhary, S.; Chepurnov, A.; Chashin, S.; Cebrian, S.; Cavalcante, P.; Castellani, A.; Carlini, M.; Cargioli, N.; Cardenas-Montes, M.; Caravati, M.; Canci, N.; Caminata, A.; Camillo, V.; Calabrese, R.; Cadoni, M.; Cadeddu, M.; Busto, J.; Bussino, S.; Buchowicz, A.; Braun, T.; Boulay, M.G.; Bottino, B.; Bonivento, W.; Bocci, V.; Blua, S.; Bloem, M.; Bhowmick, P.; Batignani, G.; Barrillon, P.; Barrado Olmedo, A.; Balmforth, Z.; Back, H.O.; Azzolini, O.; Avetisov, I.C.; Ave, M.; Auty, D.J.; Atzori Corona, M.; Aprile, E.; Angiolilli, M.; Amaudruz, P.; Alton, A.K.; Alexander, T.; Albuquerque, I.F.; Albergo, S.; Ahmad, I.; Agnes, P.; Adhikari, P.; Acerbi, F.

doi:10.1140/epjc/s10052-025-14940-1

The DarkSide-20k dark matter direct detection experiment will employ a 21m2 silicon photomultiplier (SiPM) array, instrumenting a dual-phase 50 tonnes liquid argon Time Projection Chamber (TPC). SiPMs are arranged into modular photosensors called Tiles, each integrating 24 SiPMs onto a printed circuit board (PCB) that provides signal amplification, power distribution, and a single-ended output for simplified readout. 16 Tiles are further grouped into Photo-Detector Units (PDUs). This paper details the production of the Tiles and the Quality Assurance and Quality Control (QA-QC) protocol established to ensure their performance and uniformity. The production and QA-QC of the Tiles are carried out at Nuova Officina Assergi (NOA), an ISO-6 clean room facility at LNGS. This process includes wafer-level cryogenic characterisation, precision die attaching, wire bonding, and extensive electrical and optical validation of each Tile. The overall production yield exceeds 83.5%, matching the requirements of the DarkSide-20k production plan. These results validate the robustness of the Tile design and its suitability for operation in a cryogenic environment.

Production, quality assurance and quality control of the SiPM Tiles for the DarkSide-20k Time Projection Chamber / M.P. Zykova, G.Z.. - In: THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS. - ISSN 1434-6044. - 85:11(2025 Nov 20), pp. 1334.1-1334.27. [10.1140/epjc/s10052-025-14940-1]

Production, quality assurance and quality control of the SiPM Tiles for the DarkSide-20k Time Projection Chamber

Zykova M. P.^Primo;Zuzel G.;Zichichi A.;Zhu T.;Zhang Y.;A. Zani;Zakhary P.;Zabihi A.;Yin J.;Yang C.;Wojcik M.;Wojcik M. M.;Williams L.;Westerdale S.;Wang Y.;Walczak M.;Wada M.;Vyas B.;Vossebeld J.;Vogelaar R. B.;Vishneva A.;Viel S.;Viant T.;Ventura P.;Van Uffelen M.;Unzhakov E. V.;Tullio S.;Tricomi A.;Torres-Lara S.;Thompson A.;Thieme K.;Testera G.;Taylor J.;Taylor A.;Tartaglia R.;Taborda O.;Szelc A. M.;Suvorov Y.;Sunny C.;Sung A.;Stracka S.;Stornelli V.;Steri A.;Spangenberg M.;Spadoni F.;Smith B.;Smirnova T.;Smirnov O.;Skorokhvatov M. D.;Skensved P.;Simeone M.;Sheshukov A.;Sharma Poudel S.;Shalamova V.;Sestu M.;Semenov D. A.;Scioli G.;Schuckman F. G.;Scapparone E.;Savarese C.;Sargeant I.;Santos E. M.;Santorelli R.;Santone D.;Sanfilippo S.;Samoylov O.;Salomone P.;Sabia M. A.;Runge J.;Rudik D.;Rubbia A.;Rossi M.;Romero L.;Rogers G.;Roberts C.;Roberts A.;Rivetti A.;Ritchie-Yates A.;Rignanese L. P.;Retiere F.;Resconi S.;Rescigno M.;Repond A.;Renshaw A. L.;Razeti M.;Ravinthiran S.;Ramirez A.;Ramachers Y.;F. Ragusa;Raffaelli F.;Queiroga Bazetto M.;Puglia S.;Pronesti M.;Price D.;Preosti E.;Pralavorio P.;Pordes S.;Pocar A.;Plante G.;Pino N.;Piacentini S.;Pesudo V.;Perez R.;Pelczar K.;Peck A.;Pavarani R.;Paternoster G.;Pastuszak G.;Park B.;Papi D.;Paoloni E.;Pantic E.;Pandola L.;Pallavicini M.;Padmanabhan A.;de Solorzano A. O.;Organtini P.;Oleynikov V.;Oleinik A.;Olchanski K.;Nowak J.;Nikulin I.;Nikoloudaki E.;Nikolopoulos K.;Nieradka G.;Nessi M.;Nania R.;Musico P.;Murra M.;Muratova V. N.;Mroz T.;Morsy A.;Morrocchi M.;Moretti E.;Monroe J.;Mitra A.;Minutoli S.;Milincic R.;Messina A.;Merzi S.;McDonald A. B.;Mavrokoridis K.;Matteucci G.;Martoff C. J.;Martinez M.;Maricic J.;Mariani C.;Mari S. M.;Marasciulli A.;Mapelli L.;Manthos I.;Manecki S.;Machulin I. N.;Machts I.;Macfadyen O.;Lychagina O.;Luzzi L.;Lissia M.;Lipp J.;Lidey L.;Leoni A.;Leason E.;Le Guirriec E.;Lai M.;La Commara M.;Kuzwa M.;Kuzniak M.;Kuss M.;Kunze P.;Kubankin A.;Koulosousas S.;Kotsiopoulou L.;Korga G.;Kondo K.;Klenin A.;Kimura M.;Kemp A.;Kemmerich N.;Keloth R.;Jillings C.;Jamil A.;Ippolito V.;Ianni A.;Hungerford E. V.;Hugues T.;Huff D.;Hubaut F.;Hu J.;Horikawa S.;Hollingham J.;Hidalgo C.;Hessel T.;Harrop B.;Haranczyk M.;Hamer A.;Hallin A. L.;Hackett B. R.;Gulino M.;Gromov M.;Grobov A.;Grilli di Cortona G.;Grauso G.;Grandi L.;Gola A.;Goicoechea Casanueva V.;Giovanetti G. K.;Gendotti A.;Gawdzik A.;Garcia Abia P.;Garbini M.;Gallina G.;Galinski G.;Galbiati C.;Gahan D.;Gabriele F.;Frolov E.;Frandini Gatti H.;Franco D.;Franchini P.;Fleming D.;Fiorillo G.;Ficorella A.;Ferro L.;Fernandez Diaz M.;Fearon N.;Erjavec T.;Ellingwood E.;Elersich A.;Dylon F.;Dronik V.;Dordei F.;Dolganov G.;Dionisi C.;Diaz Mairena D.;Dias L. K.;Di Stefano P.;Di Noto L.;Devoto A.;Derbin A. V.;Dellacasa G.;De Cecco S.;de Asmundis R.;Davini S.;Darbo G.;Dainty A.;Da Rocha Rolo M. D.;S. D'Auria;D'Aniello M.;Czubak M.;Costa B. S.;Cortez A. F. V.;Consiglio L.;Conde Vilda E.;Colaiuda D.;Cocco V.;Coadou Y.;Cleveland B.;Cifarelli L.;Choudhary S.;Chepurnov A.;Chashin S.;Cebrian S.;Cavalcante P.;Castellani A.;Carlini M.;Cargioli N.;Cardenas-Montes M.;Caravati M.;Canci N.;Caminata A.;Camillo V.;Calabrese R.;Cadoni M.;Cadeddu M.;Busto J.;Bussino S.;Buchowicz A.;Braun T.;Boulay M. G.;Bottino B.;Bonivento W.;Bocci V.;Blua S.;Bloem M.;Bhowmick P.;Batignani G.;Barrillon P.;Barrado Olmedo A.;Balmforth Z.;Back H. O.;Azzolini O.;Avetisov I. C.;Ave M.;Auty D. J.;Atzori Corona M.;Aprile E.;Angiolilli M.;Amaudruz P.;Alton A. K.;Alexander T.;Albuquerque I. F.;Albergo S.;Ahmad I.;Agnes P.;Adhikari P.;Acerbi F.^Ultimo

2025

Abstract

The DarkSide-20k dark matter direct detection experiment will employ a 21m2 silicon photomultiplier (SiPM) array, instrumenting a dual-phase 50 tonnes liquid argon Time Projection Chamber (TPC). SiPMs are arranged into modular photosensors called Tiles, each integrating 24 SiPMs onto a printed circuit board (PCB) that provides signal amplification, power distribution, and a single-ended output for simplified readout. 16 Tiles are further grouped into Photo-Detector Units (PDUs). This paper details the production of the Tiles and the Quality Assurance and Quality Control (QA-QC) protocol established to ensure their performance and uniformity. The production and QA-QC of the Tiles are carried out at Nuova Officina Assergi (NOA), an ISO-6 clean room facility at LNGS. This process includes wafer-level cryogenic characterisation, precision die attaching, wire bonding, and extensive electrical and optical validation of each Tile. The overall production yield exceeds 83.5%, matching the requirements of the DarkSide-20k production plan. These results validate the robustness of the Tile design and its suitability for operation in a cryogenic environment.

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Scheda completa (DC)

	Parole chiave
	
				Dark Matter; time projection chamber; liquid argon; silicon photomultipliers; weakly interacting massive particles; WIMPs; LNGS; SiPM
			
	Settori scientifico-disciplinari dell'articolo (validi dal 09/05/2024)
	
				Settore PHYS-01/A - Fisica sperimentale delle interazioni fondamentali e applicazioni
			
	Titolo del progetto
	
	Acronimo
	
									UnivEarthS
								
	Nome finanziatore
	
										French National Research Agency (ANR)
									
	Finanziamento
	
									null
								
	N. Contratto
	
									ANR-10-LABX-0023
								
	Titolo Progetto
	
									Quantum Universe
								
	Nome finanziatore
	
										Deutsche Forschungsgemeinschaft
									
	Finanziamento
	
									Exzellenzcluster (ExStra)
								
	N. Contratto
	
									390833306
								
	Titolo Progetto
	
									Novel technologies for dark matter search and frontier astroparticle physics experiments
								
	Acronimo
	
									DarkWave
								
	Nome finanziatore
	
										European Commission
									
	Finanziamento
	
									Horizon 2020 Framework Programme - Coordination and support action
								
	N. Contratto
	
									952480
								
	Titolo Progetto
	
									Photon detection in Extreme Environments for Fundamental and Applied Physics
								
	Nome finanziatore
	
										MINISTERO DELL'ISTRUZIONE E DEL MERITO
									
	N. Contratto
	
									20208XN9TZ_004
								
	Data di pubblicazione
	
				20-nov-2025
			
	Rivista in ANCE
	
				THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS
			
	DOI
	
				https://dx.doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14940-1
			
	Tipologia
	
				Article (author)
			
	Appare nelle tipologie:
	
				01 - Articolo su periodico

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