用于井下鉆具設(shè)計的高溫電子器件介紹

關(guān)于設(shè)計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。除機械設(shè)計完整性和特種金屬選擇以外，對于能夠嵌入到這些工具中的一些堅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非常小的空間中。其中的兩個例子是隨鉆測井 (LWD) 和隨鉆測量 (MWD) 工具。這些系統(tǒng)必須實時檢查鉆柱和圍巖，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井數(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。

　　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，其目的是實現(xiàn)更好、更高效的鉆探。能夠采集到的巖層相關(guān)測井信息越多，意味著對位置和回收情況的判斷越準確。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖包括多個放大器，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)(請參見圖 1)。之后，對這種數(shù)字數(shù)據(jù)進行處理，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 典型高溫數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

　　由于全世界對石油和天然氣的需求不斷增長，對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，這些碳氫化合物的位場越來越深，由此而來的溫度也越來越高。因此，能夠承受極端高壓和 200℃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信息、通信以及對這些工具進行控制的電子器件，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，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、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)測儲層溫度和壓力的永久安裝工具的測井工具，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 125℃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，使得必需對它們進行正確的描述、規(guī)定、測試和資格認定，以達到能夠滿足具體應(yīng)用的某種工藝水平。由于一般鉆井時間都少于1000小時，因此我們可以對多種半導(dǎo)體工藝技術(shù)進行合格認定，并使用它們，具體包括標準塊硅和絕緣體上硅結(jié)構(gòu) (SOI)。

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

　　如何對井下系統(tǒng)電子器件進行封裝非常重要，因為將工具安裝在某個鉆頭上面后其必須要能夠承受高溫、振動和碰撞。用于封裝標準半導(dǎo)體的一般塑封材料會降解，并不能在 200℃下提供足夠的運行可靠性。陶瓷密封封裝或者陶瓷多片組件 (MCM)是硅保護最常用的封裝。利用MCM和混合封裝時，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)計組件都集成到芯片中并貼裝在陶瓷基片上，這時便可以實現(xiàn)更小體積的解決方案。

　　常用于陶瓷封裝的一些合格測試包括溫度循環(huán)、機械沖擊、接合強度、振動、氣密性以及熱沖擊。陶瓷封裝的一個例子是四方扁平封裝 (QFP)，其用于如ADS1278- HT八進制24位 ADC(請參見圖 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

　　所有合格認定和測試的目標都是為了獲得可靠的電子器件，消滅故障時間。電子器件井下故障時，取出和更換需要花費時間—有時甚至長達數(shù)日。鉆井架停工的每一個小時代價都非常高昂，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，標準工藝技術(shù)和標準設(shè)計可用于提高這些工具的生產(chǎn)率和耐受性。