井下鉆具的高溫電子器件

關(guān)于設(shè)計(jì)井下石油和天然氣鉆具，存在各種各樣的規(guī)定，其目的是要滿足這種惡劣工作環(huán)境的諸多苛刻要求。除機(jī)械設(shè)計(jì)完整性和特種金屬選擇以外，對(duì)于能夠嵌入到這些工具中的一些堅(jiān)固耐用電子器件的需求也至關(guān)重要。在這些系統(tǒng)中使用一些現(xiàn)代電子器件，可以捕獲更多關(guān)于油氣構(gòu)造以及鉆柱位置和方向的數(shù)據(jù)。這讓我們可以更加容易地找到和利用這些寶貴的資源。

幾種工具必須在極端環(huán)境下工作，同時(shí)由于空間的限制，其必須將許多復(fù)雜的電子器件集成到一個(gè)非常小的空間中。其中的兩個(gè)例子是隨鉆測(cè)井 (LWD) 和隨鉆測(cè)量 (MWD) 工具。這些系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)檢查鉆柱和圍巖，從而讓在地面上的鉆探工能夠控制鉆探的位置。在地表以下幾千米深的地方記錄測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和操作鉆頭的能力，讓更高效的資源回收成為現(xiàn)實(shí)。

在現(xiàn)代鉆探使用的所有電子器件中，最為常用的是數(shù)據(jù)采集器件，其目的是實(shí)現(xiàn)更好、更高效的鉆探。能夠采集到的巖層相關(guān)測(cè)井信息越多，意味著對(duì)位置和回收情況的判斷越準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖包括多個(gè)放大器，它們直接使用來自傳感器的數(shù)據(jù)，并將其提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（請(qǐng)參見圖 1）。之后，對(duì)這種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后提供給其他工具，或者通過通信器件傳到地面。需要使用電源管理和固態(tài)電壓參考電路，以向所有系統(tǒng)提供輸入，其為所有設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組件，特別是許多都改為電池供電以后。

圖 1 典型高溫?cái)?shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

由于全世界對(duì)石油和天然氣的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)這些重要資源的更高效鉆探變得尤為重要。相比目前的一些鉆井，這些碳?xì)浠衔锏奈粓?chǎng)越來越深，由此而來的溫度也越來越高。因此，能夠承受極端高壓和 200oC高溫的一些工具就成為必要。如果想要在沒有昂貴冷卻解決方案的情況下滿足這些高溫要求，則用于提供地層詳細(xì)信息、通信以及對(duì)這些工具進(jìn)行控制的電子器件，要求半導(dǎo)體取得這種應(yīng)用資格。

高溫電子器件讓鉆頭操縱和水平鉆法成為現(xiàn)實(shí)，從而最大化產(chǎn)油層。這些工具中的電子器件還擁有眾多的測(cè)量功能，包括深度及方向、壓力、溫度、巖層電阻率、背景伽馬輻射、鉆柱張力、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)度，以及許多其他傳感器輸入。

用于許多陸基井和一些監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層溫度和壓力的永久安裝工具的測(cè)井工具，均為同樣具有高溫電子器件的其他類工具。它們都可以幫助最大化石油的回收。

相比只考慮給定溫度下器件的工作情況，整套電子井下鉆具的可靠設(shè)計(jì)需要考慮的因素更多。目前的一些工具中所使用的大多數(shù)半導(dǎo)體，一般都只能在 125oC 以下溫度工作。然而，人們經(jīng)常在超出其數(shù)據(jù)表規(guī)定的環(huán)境下使用它們。這樣便帶來許多硅電路溫度性能以及電路可靠性和封裝方面的問題。高溫半導(dǎo)體的質(zhì)量和可靠性要求，使得必需對(duì)它們進(jìn)行正確的描述、規(guī)定、測(cè)試和資格認(rèn)定，以達(dá)到能夠滿足具體應(yīng)用的某種工藝水平。由于一般鉆井時(shí)間都少于 1000 小時(shí)，因此我們可以對(duì)多種半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)行合格認(rèn)定，并使用它們，具體包括標(biāo)準(zhǔn)塊硅和絕緣體上硅結(jié)構(gòu) (SOI)。

如果溫度超過 150oC，則半導(dǎo)體特性會(huì)改變，因此我們必須了解其本身可靠性，以正確地對(duì)器件進(jìn)行高溫應(yīng)用的資格認(rèn)定。高溫下的一些失效機(jī)理包括電遷移 (EM)、時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿 (TDDB)、負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性 (NBTI)，以及熱載流子注入。所有這些都會(huì)縮短塊硅和 SOI 器件的壽命，而且對(duì)它們來說都很常見。

如何對(duì)井下系統(tǒng)電子器件進(jìn)行封裝非常重要，因?yàn)閷⒐ぞ甙惭b在某個(gè)鉆頭上面后其必須要能夠承受高溫、振動(dòng)和碰撞。用于封裝標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體的一般塑封材料會(huì)降解，并不能在 200oC 下提供足夠的運(yùn)行可靠性。陶瓷密封封裝或者陶瓷多片組件 (MCM)是硅保護(hù)最常用的封裝。利用MCM和混合封裝時(shí)，使用合格的優(yōu)質(zhì)芯片 (KGD) 可以節(jié)省空間，從而提高集成度。所有有源設(shè)計(jì)組件都集成到芯片中并貼裝在陶瓷基片上，這時(shí)便可以實(shí)現(xiàn)更小體積的解決方案。

常用于陶瓷封裝的一些合格測(cè)試包括溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、接合強(qiáng)度、振動(dòng)、氣密性以及熱沖擊。陶瓷封裝的一個(gè)例子是四方扁平封裝 (QFP)，其用于如 ADS1278- HT 八進(jìn)制 24 位 ADC（請(qǐng)參見圖 2）等高引腳數(shù)組件。引線修剪成型以后，該器件便可以裝配到 20-mm 寬印刷電路板上。

圖 2 用于高引腳數(shù)器件的陶瓷四方扁平封裝

所有合格認(rèn)定和測(cè)試的目標(biāo)都是為了獲得可靠的電子器件，消滅故障時(shí)間。電子器件井下故障時(shí)，取出和更換需要花費(fèi)時(shí)間—有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)日。鉆井架停工的每一個(gè)小時(shí)代價(jià)都非常高昂，離岸鉆探更是如此。使用適應(yīng)這種環(huán)境的一些器件，電子組件可以更加健壯，也更不易出現(xiàn)故障。

高溫井下工具要求大量不同類型的有源半導(dǎo)體器件，從諸如運(yùn)算放大器 (op amp) 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等模擬組件到電源管理和嵌入式處理器。通過固定資格和特性描述，標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可用于提高這些工具的生產(chǎn)率和耐受性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

Mont Taylor 現(xiàn)任 TI 高可靠性 (HiRel) 產(chǎn)品部業(yè)務(wù)開發(fā)工程師，他在高可靠性產(chǎn)品領(lǐng)域擁有 15 余年的工作經(jīng)驗(yàn)。Mont Taylor畢業(yè)于德州農(nóng)工大學(xué) (Texas AM University)，獲電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位。