用于高温钻井作业的电子装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于高温钻井作业的电子装置，特别涉及一种适用于井下环境的印刷电路板组件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]现代油气勘探在复杂的地质环境下进行。钻井作业非常依赖于钻井工具的状态的实时信息以及地球岩层性质。使用传感器、随钻测量(MffD)仪器以及随钻测井(LWD)仪器来获得这些信息。虽然MffD是指在持续钻井过程中对钻具组合的运动以及位置进行测量，而LWD更多地专注于对岩层性质进行测量，但是在本发明中它们可互换使用。MWD/LWD仪器通常安装在钻具组合(即，底部钻具组合或BHA)内的钻铤上。
[0003]作为MWD/LWD仪器的替代或附加，可使用电缆测井来测量地球岩层。代表性地，在将钻柱从钻井中移除后，使探测器下降到所关注区域的底部，并且在之后将其拉上去。探测器在上升的路途中测量沿其路径的岩层的性质。
[0004]可使用传感器以在MWD/LWD仪器以及电缆测井方法中得到测量结果。其他的电子部件包括有源部件，例如印刷电路板组件(PCBA)和晶体管，或者无源部件，例如电阻和电容。
[0005]在钻井系统的各处都使用了 PCBA。例如，其可被用于电源、温度传感器、压力传感器、电池等的操作。在常用于井下环境的电子装置中包括有例如主内存板、读取板、发射器或接收器，以及加速度测量板的PCBA。
[0006]在钻井系统中可通过已知的方法将PCBA与各种传感器相结合。在一些实施例中，传感器可集成在主内存板上。传感器可以是在钻井过程中监控实时条件的测量传感器。例如，一些传感器监控地球岩层性质，例如电阻率、密度、孔隙率、渗透性、声学属性、核磁共振性、流体或岩层的腐蚀性，以及盐或盐水含量。其他传感器监控钻井工具的状态，例如钻头或钻柱中的振动(横向的、扭转的、轴向的等)、方向以及加速度。其他传感器还监控井下环境的温度或压力。在其他实施例中，传感器可以是预测传感器。预测传感器可以承受比典型的钻井作业更苛刻的条件(例如较高的温度或压力)，从而其失效得更快。预测传感器可用于估计其他部件的失效时间。
[0007]传感器可安装在钻具组合中的任意其他合适的部件上。例如，其可以附在钻头上以监控钻头的运动或温度。传感器例如也可以沿着钻井来安装，以监控沿其路径的钻井泥浆的压力或流速。甚至可以将传感器(例如RFID传感器)放入钻井系统中的流体中，并且散布到地球岩层中。
[0008]PCBA上通常安装有处理器。处理器构造成接收、存储或者执行例如电脑代码或传感器信号等数据。例如，处理器可以与提供可执行指令的程序模块相结合，并且可以与存储处理器所执行的运算的各种结果的记录介质相结合。传感器信号被输入到处理器中。PCBA也可包括遥测单元，从而其可将传感器信号传递到地上仪器中用于进一步的处理。相反地，PCBA也可以接收来自地上控制单元的输入。
[0009]井下钻井工具、特别是钻具组合(又名BHA)会受到高温和高压。传统的钻井可在高达125°C的温度下进行。相比之下，在深井中的井底温度会超过200°C。由于漏电、材料降解、排气、腐蚀等原因，这种高温会大幅度降低井下电子部件的可靠性和使用寿命。一般来说，温度每升高25°C，电子部件就会损失90%的使用寿命。因此，非常需要操作寿命足够长(例如从几天到几个星期)的电子部件，以用于高温钻井作业。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种电子装置，例如PCBA，其可在钻井作业过程中在高的井下温度(例如175°C或者更高)下操作。在一个实施例中，印刷电路板组件具有安装在电路板上的多个芯片。至少一个芯片包括制作在氮化铝基板或氮化硅基板上的集成电路。在一些芯片中，氮化铝被用作绝缘体上硅结构中的氧化物层。在其他芯片中，集成电路制作在由氮化铝、氮化硅、碳化硅或者蓝宝石制成的基板上。
[0011]在另一个实施例中，PCBA的电路板是由陶瓷基板制成的陶瓷电路板。陶瓷基板可以是氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铝-氧化锆复合物、氧化铍或者钛酸钡基板。电路板也可以由聚酰亚胺层压板来制成。
[0012]本发明的PCBA用于具有井下工具和地上设备的钻井系统中。PCBA可安装在钻柱上并靠近钻头作为MWD/LWD仪器的一部分。PCBA与传感器结合，以接收传感器信号并将其传递给地上装置。
【附图说明】
[0013]通过参照附图并考虑以下的详细说明书，可容易地理解本发明的教导。
[0014]图1显示了示意性的印刷电路板组件。
[0015]图2a和图2b是本发明的MOS晶体管的示意图。
【具体实施方式】
[0016]以下将对本发明的实施例进行详细说明，其例子显示在附图中。应当注意的是，只要可行，可在附图中使用相似或相同的附图标号并且其可表示相似或相同的元件。
[0017]附图仅出于示意性的目的而显示了本发明的实施例。本领域的技术人员可从下述说明书中容易地得知，在不偏离本发明的一般性原则的前提下，存在有替换性实施例。
[0018]图1是印刷电路板组件(PCBA)的示意图。PCBA 10包括印刷电路板(PCB或“电路板”)11。多个芯片12安装在电路板11上。在本发明中，芯片和模片可互换使用。这两者均指具有制作在基板上的集成电路的电子装置。其他电子部件、例如电容13和电阻14也安装在电路板11上。一部分芯片12是多芯片模块MCM，其他的是单片芯片。PCBA通过任意的线连接与钻井系统中的其他部件相结合。例如，PCBA可具有构造成通过总线将该PCBA与其他PCBA相连接的连接件(未显示)，或者具有用于将PCBA与传感器或致动器相连的连接件(未显示)。PCBA也可带有无线发射器或接收器。
[0019]在PCBA的一个实施例中，本发明的PCBA的底基板是陶瓷基板。陶瓷基板可以是氧化铝(Al2O3)基板、氮化铝(AlN)基板、氮化硅(SiN)基板、氧化铝-氧化锆复合物基板、氧化铍基板，或者钛酸钡基板。氧化铝基板可以是高纯度氧化铝，例如含99.6%氧化铝或96%氧化铝。陶瓷电路板可承受175°C以上的高温和频繁的热循环，同时保持绝缘电阻和介电常数。
[0020]在另一个实施例中，电路板由聚酰亚胺层压板和半固化片来制成。聚酰亚胺具有高Tg(玻璃态转化温度)(高于250°C )。其还具有低的Z方向热膨胀系数(CTE)。市售的高温聚酰亚胺层压板和/或半固化片包括美国加利福尼亚州兰乔库卡蒙加的Arlon MED公司制造的Arlon 85N，以及美国纽约州梅尔维尔的Park Electrochemical公司制造的NelcoN7000-2。
[0021]陶瓷电路板的一个方面是包括多个陶瓷层。此外，陶瓷电路板的导线(即，互连线)由掺Pd的Au材料制成。掺Pd的Au互连线适于Al或Au的引线键合，这是由于在引线键合处的金属间界面相对稳定，减慢了 Au和Al在高温下的相互扩散。
[0022]在PCBA的另一个实施例中，使用粘晶材料将电子部件附着在板上。传统的