用于高溫鉆井作業(yè)的電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于高溫鉆井作業(yè)的電子裝置，特別涉及一種適用于井下環(huán)境的印刷電路板組件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代油氣勘探在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行。鉆井作業(yè)非常依賴于鉆井工具的狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息以及地球巖層性質(zhì)。使用傳感器、隨鉆測(cè)量(MffD)儀器以及隨鉆測(cè)井(LWD)儀器來(lái)獲得這些信息。雖然MffD是指在持續(xù)鉆井過(guò)程中對(duì)鉆具組合的運(yùn)動(dòng)以及位置進(jìn)行測(cè)量，而LWD更多地專注于對(duì)巖層性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，但是在本發(fā)明中它們可互換使用。MWD/LWD儀器通常安裝在鉆具組合(即，底部鉆具組合或BHA)內(nèi)的鉆鋌上。
[0003]作為MWD/LWD儀器的替代或附加，可使用電纜測(cè)井來(lái)測(cè)量地球巖層。代表性地，在將鉆柱從鉆井中移除后，使探測(cè)器下降到所關(guān)注區(qū)域的底部，并且在之后將其拉上去。探測(cè)器在上升的路途中測(cè)量沿其路徑的巖層的性質(zhì)。
[0004]可使用傳感器以在MWD/LWD儀器以及電纜測(cè)井方法中得到測(cè)量結(jié)果。其他的電子部件包括有源部件，例如印刷電路板組件(PCBA)和晶體管，或者無(wú)源部件，例如電阻和電容。
[0005]在鉆井系統(tǒng)的各處都使用了 PCBA。例如，其可被用于電源、溫度傳感器、壓力傳感器、電池等的操作。在常用于井下環(huán)境的電子裝置中包括有例如主內(nèi)存板、讀取板、發(fā)射器或接收器，以及加速度測(cè)量板的PCBA。
[0006]在鉆井系統(tǒng)中可通過(guò)已知的方法將PCBA與各種傳感器相結(jié)合。在一些實(shí)施例中，傳感器可集成在主內(nèi)存板上。傳感器可以是在鉆井過(guò)程中監(jiān)控實(shí)時(shí)條件的測(cè)量傳感器。例如，一些傳感器監(jiān)控地球巖層性質(zhì)，例如電阻率、密度、孔隙率、滲透性、聲學(xué)屬性、核磁共振性、流體或巖層的腐蝕性，以及鹽或鹽水含量。其他傳感器監(jiān)控鉆井工具的狀態(tài)，例如鉆頭或鉆柱中的振動(dòng)(橫向的、扭轉(zhuǎn)的、軸向的等)、方向以及加速度。其他傳感器還監(jiān)控井下環(huán)境的溫度或壓力。在其他實(shí)施例中，傳感器可以是預(yù)測(cè)傳感器。預(yù)測(cè)傳感器可以承受比典型的鉆井作業(yè)更苛刻的條件(例如較高的溫度或壓力)，從而其失效得更快。預(yù)測(cè)傳感器可用于估計(jì)其他部件的失效時(shí)間。
[0007]傳感器可安裝在鉆具組合中的任意其他合適的部件上。例如，其可以附在鉆頭上以監(jiān)控鉆頭的運(yùn)動(dòng)或溫度。傳感器例如也可以沿著鉆井來(lái)安裝，以監(jiān)控沿其路徑的鉆井泥漿的壓力或流速。甚至可以將傳感器(例如RFID傳感器)放入鉆井系統(tǒng)中的流體中，并且散布到地球巖層中。
[0008]PCBA上通常安裝有處理器。處理器構(gòu)造成接收、存儲(chǔ)或者執(zhí)行例如電腦代碼或傳感器信號(hào)等數(shù)據(jù)。例如，處理器可以與提供可執(zhí)行指令的程序模塊相結(jié)合，并且可以與存儲(chǔ)處理器所執(zhí)行的運(yùn)算的各種結(jié)果的記錄介質(zhì)相結(jié)合。傳感器信號(hào)被輸入到處理器中。PCBA也可包括遙測(cè)單元，從而其可將傳感器信號(hào)傳遞到地上儀器中用于進(jìn)一步的處理。相反地，PCBA也可以接收來(lái)自地上控制單元的輸入。
[0009]井下鉆井工具、特別是鉆具組合(又名BHA)會(huì)受到高溫和高壓。傳統(tǒng)的鉆井可在高達(dá)125°C的溫度下進(jìn)行。相比之下，在深井中的井底溫度會(huì)超過(guò)200°C。由于漏電、材料降解、排氣、腐蝕等原因，這種高溫會(huì)大幅度降低井下電子部件的可靠性和使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高25°C，電子部件就會(huì)損失90%的使用壽命。因此，非常需要操作壽命足夠長(zhǎng)(例如從幾天到幾個(gè)星期)的電子部件，以用于高溫鉆井作業(yè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種電子裝置，例如PCBA，其可在鉆井作業(yè)過(guò)程中在高的井下溫度(例如175°C或者更高)下操作。在一個(gè)實(shí)施例中，印刷電路板組件具有安裝在電路板上的多個(gè)芯片。至少一個(gè)芯片包括制作在氮化鋁基板或氮化硅基板上的集成電路。在一些芯片中，氮化鋁被用作絕緣體上硅結(jié)構(gòu)中的氧化物層。在其他芯片中，集成電路制作在由氮化鋁、氮化硅、碳化硅或者藍(lán)寶石制成的基板上。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施例中，PCBA的電路板是由陶瓷基板制成的陶瓷電路板。陶瓷基板可以是氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鋁-氧化鋯復(fù)合物、氧化鈹或者鈦酸鋇基板。電路板也可以由聚酰亞胺層壓板來(lái)制成。
[0012]本發(fā)明的PCBA用于具有井下工具和地上設(shè)備的鉆井系統(tǒng)中。PCBA可安裝在鉆柱上并靠近鉆頭作為MWD/LWD儀器的一部分。PCBA與傳感器結(jié)合，以接收傳感器信號(hào)并將其傳遞給地上裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0013]通過(guò)參照附圖并考慮以下的詳細(xì)說(shuō)明書，可容易地理解本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0014]圖1顯示了示意性的印刷電路板組件。
[0015]圖2a和圖2b是本發(fā)明的MOS晶體管的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其例子顯示在附圖中。應(yīng)當(dāng)注意的是，只要可行，可在附圖中使用相似或相同的附圖標(biāo)號(hào)并且其可表示相似或相同的元件。
[0017]附圖僅出于示意性的目的而顯示了本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可從下述說(shuō)明書中容易地得知，在不偏離本發(fā)明的一般性原則的前提下，存在有替換性實(shí)施例。
[0018]圖1是印刷電路板組件(PCBA)的示意圖。PCBA 10包括印刷電路板(PCB或“電路板”)11。多個(gè)芯片12安裝在電路板11上。在本發(fā)明中，芯片和模片可互換使用。這兩者均指具有制作在基板上的集成電路的電子裝置。其他電子部件、例如電容13和電阻14也安裝在電路板11上。一部分芯片12是多芯片模塊MCM，其他的是單片芯片。PCBA通過(guò)任意的線連接與鉆井系統(tǒng)中的其他部件相結(jié)合。例如，PCBA可具有構(gòu)造成通過(guò)總線將該P(yáng)CBA與其他PCBA相連接的連接件(未顯示)，或者具有用于將PCBA與傳感器或致動(dòng)器相連的連接件(未顯示)。PCBA也可帶有無(wú)線發(fā)射器或接收器。
[0019]在PCBA的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的PCBA的底基板是陶瓷基板。陶瓷基板可以是氧化鋁(Al2O3)基板、氮化鋁(AlN)基板、氮化硅(SiN)基板、氧化鋁-氧化鋯復(fù)合物基板、氧化鈹基板，或者鈦酸鋇基板。氧化鋁基板可以是高純度氧化鋁，例如含99.6%氧化鋁或96%氧化鋁。陶瓷電路板可承受175°C以上的高溫和頻繁的熱循環(huán)，同時(shí)保持絕緣電阻和介電常數(shù)。
[0020]在另一個(gè)實(shí)施例中，電路板由聚酰亞胺層壓板和半固化片來(lái)制成。聚酰亞胺具有高Tg(玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度)(高于250°C )。其還具有低的Z方向熱膨脹系數(shù)(CTE)。市售的高溫聚酰亞胺層壓板和/或半固化片包括美國(guó)加利福尼亞州蘭喬庫(kù)卡蒙加的Arlon MED公司制造的Arlon 85N，以及美國(guó)紐約州梅爾維爾的Park Electrochemical公司制造的NelcoN7000-2。
[0021]陶瓷電路板的一個(gè)方面是包括多個(gè)陶瓷層。此外，陶瓷電路板的導(dǎo)線(即，互連線)由摻Pd的Au材料制成。摻Pd的Au互連線適于Al或Au的引線鍵合，這是由于在引線鍵合處的金屬間界面相對(duì)穩(wěn)定，減慢了 Au和Al在高溫下的相互擴(kuò)散。
[0022]在PCBA的另一個(gè)實(shí)施例中，使用粘晶材料將電子部件附著在板上。傳統(tǒng)的