ADI石油測井高溫技術及方案

測井技術又被稱為地球物理測井技術，是地質家和油氣藏開發(fā)工程師在油氣藏勘探開發(fā)中的“眼睛”。依靠測井技術所獲得的資料是測井評價、地質研究和油氣藏開發(fā)的科學依據。在此環(huán)境中使用電子設備所面對的最大挑戰(zhàn)是極端溫度。該環(huán)境下的工作溫度與井深成函數關系，而全球地熱梯度平均約為25°C/km，某些地區(qū)可能更高。

圖1 高溫高壓的界定范圍圖例

在全世界范圍內，高溫高壓油田區(qū)塊越來越普遍，遍布五大洲四大洋。著名區(qū)塊有泰國灣、墨西哥灣、歐洲北海等。在國內，新疆油田、吉林油田、川渝區(qū)塊、東海平湖油田、南海鶯歌海等都以高溫高壓井況聞名。

圖2 高溫高壓油田區(qū)塊分布

在過去幾年中，全球范圍內越來越多的高溫高壓（HPHT）油田區(qū)塊被勘探開發(fā)。這些油田儲層的溫度壓力梯度往往非常高，需要在接近極端溫度的環(huán)境下作業(yè)，因此需要借助專門的高溫電子解決方案來保證性能和可靠性。

對于這一問題，技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao推薦ADI石油測井高溫技術及方案。ADI通過自主研發(fā)已具備滿足高溫應用需求的能力，能提供專為極端溫度設計的產品。該產品系列經認證，可在175°C至210°C高溫環(huán)境下工作。

圖3 簡化測井儀器信號鏈

ADI支持高溫產品的技術

強大的硅工藝

雖然標準硅工藝可以在125℃ 以上的航空級別溫度要求下正常工作，但每上升10℃ ，標準硅工藝中的電流泄露就會增加一倍，許多精密應用無法承受這一情況。對比采用普通結隔離（JI）雙極性工藝與 ADI自主研發(fā)的絕緣硅片（SOI）雙極性工藝的典型NPN晶體管，圖4中的黑色箭頭指出了JI工藝器件內電流泄漏的路徑，以及電流泄漏到襯底的寄生路徑。隨著溫度的升高，電流泄漏的影響會呈指數增長，進而大大降低器件的性能。

SOI工藝使用SiO2絕緣電介質層來阻隔襯底中的寄生電流。通過消除這種寄生泄漏路徑，即使在非常高的溫度環(huán)境中，也能夠使器件性能保持穩(wěn)定。采用溝道隔離、SOI工藝和標準硅工藝中的其他變化都會大大降低泄露，使高性能工作溫度遠高于200℃。

圖4 JI工藝與SOI工藝的結點泄露機制對比

創(chuàng)新封裝

耐高溫封裝的一個主要失效機制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金（Au）和鋁（Al）混合時。一方面是邊界接口的金屬間化合物（IMC）生長，這會導致焊接易碎；另一方面是擴散（柯肯達爾效應），這會在接口處產生空洞，減小焊接強度并增加其電阻。

ADI的HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序（以覆蓋的形式顯示），以得到金焊盤表面，然后與金線一起實現(xiàn)精致的金屬焊接，從而避免形成金屬間化合物。

圖5 鎳鈀金金屬化

圖6顯示了IMC的生長情況，在195℃高溫條件下，經過500小時后會影響焊接的完整性，以及加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊在195℃高溫條件下6000小時的情況。

圖6 195℃下500小時后的金/鋁線焊

圖7 195℃下6000小時后加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊

可靠性認證

ADI的HT產品工序流程中包含針對高溫應用需求定制的綜合可靠性認證計劃。所有HT產品均符合JEDEC JESD22‐A108規(guī)范的高溫運行壽命（HTOL）測試。每款產品都至少有三個批次需要在高溫度下進行至少1000小時的測試，確保符合數據手冊技術規(guī)格。除了上述這類和其他認證測試之外，還需進行魯棒性測試（如：閂鎖免疫）、MIL-STD-883 D組機械測試以及ESD測試。

圖8 1000小時以上高溫測試

智能完井系統(tǒng)

使用壽命是電子元器件在高溫下的重要參數，其中核心問題和障礙是在高溫條件下電子元件的化學反應加速（材料老化）從而導致失效。瑞典科學家阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）總結出一個方程式，k=Ae^-Ea/RT，是化學反應速率常數隨溫度變化關系的定量表述，其中k為速率常數，R為摩爾氣體常量，T為熱力學溫度，Ea為表觀活化能，A為指前因子（也稱頻率因子）。在溫度增加10℃時，很多化學反應速率會翻倍。這個方程對于石油上游行業(yè)非常重要，它指出了井下儀器為代表的電子元器件失效機理。

圖9 預測壽命與工作溫度的關系

智能完井系統(tǒng)被稱作井下永久監(jiān)測控制系統(tǒng)，能夠采集、傳輸和分析井下生產狀態(tài)、油藏狀態(tài)和整體完井管柱生產數據等資料，根據油井生產情況，以遠程控制方式對油層進行監(jiān)測控制。系統(tǒng)可提高產量、采收率，為實現(xiàn)信息化、智能化、自動化、數字油田奠定基礎。一般情況下，智能完井系統(tǒng)需要在井下工作3年，長時間在高溫環(huán)境中工作，選擇器件的溫度參數以及如何估算器件在特定溫度下的使用壽命成為工程師選型考慮的一個難點。

ADI根據阿倫尼烏斯方程，并考慮假設可能存在的設計和制造故障機制來預測壽命，圖10顯示了AD8229數據手冊中預測壽命與工作溫度的關系。同時，ADI官方也提供晶圓數據，通過使用活化能為0.7 eV的阿倫尼烏斯方程，在HTOL加速測試條件下生成的數據轉換為最終用戶使用條件下的壽命，使用卡方統(tǒng)計分布分別計算了置信區(qū)間60%和90%的失效率數據。

圖10 ADI器件壽命試驗數據

ADI高溫產品型號推薦

Nathan介紹了以下幾種ADI高溫特色產品型號。可滿足不同客戶的需求。

圖11 ADI高溫特色產品型號

ADI高溫應用方案

適合高溫環(huán)境的16位、600 kSPS低功耗數據采集系統(tǒng)CN0365

CN0365是ADI提供的一個175℃低功耗高溫數據采集參考設計，旨在提供一個完整的數據采集電路構建塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進行調理，并將其特征化為SPI串行數據流。該設計功能非常豐富，可用作單通道應用，也可擴展為多通道同步采樣應用。

圖12 EVAL-CN0365-PMDZ 電路板照片

圖13 耐高溫數據采集系統(tǒng) 

采用1 kHz輸入信號和5V基準電壓時，AD7981的額定SNR典型值為91dB；使用較低基準電壓時，SNR 性能會有所下降。根據AD7981數據手冊中的性能曲線，在室溫和2.5V基準電壓時，預期SNR約為86dB。當溫度升高至175℃時，SNR性能僅降低至約84dB，THD仍然優(yōu)于?100dB。

圖14 SNR隨溫度的變化（1 kHz輸入信號、580 kSPS）

圖15 THD 隨溫度的變化（1 kHz 輸入信號、 580 kSPS）

200°C高溫數據采集和控制系統(tǒng)參考設計EV-HT-200CDAQ1

該參考設計是不斷壯大的ADI高溫應用產品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)里的最新成員，基于AD7981模數SAR轉換器，展現(xiàn)了一種全功能的系統(tǒng)，帶2個高速同步采樣通道和8個額外的多路復用通道，可滿足廣泛的井下工具的數據采集需求（共10個通道）。實際電路板尺寸約長11.4英寸、寬1.1英寸。

圖16 EV-HT-200CDAQ1高溫參考平臺

圖17 高溫參考平臺功能框圖

采集后，數據處理可以在本地，也可通過UART或可選的RS-485通信接口傳輸出去。電路板上的其他配套組件（包括內存、時鐘、電源和無源器件）均為各自供應商指定的、支持高工作溫度的器件。經驗證，這些組件能在200℃或以上的溫度下可靠地工作。借助該平臺，高溫電子系統(tǒng)設計師可以在原型制作和評估中使用最先進的組件，從而縮短開發(fā)時間和上市時間。

ADI高溫產品采用創(chuàng)新硅工藝、封裝和測試技術進行設計，并且經認證，可在高溫環(huán)境下工作。開發(fā)的產品在極其惡劣的高溫環(huán)境下，也能夠展現(xiàn)出高性能、高可靠性、小尺寸和低功耗等諸多優(yōu)勢。Excelpoint世健可以提供相關技術指導和支持，幫助客戶提升產品開發(fā)效率。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

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       世健是新加坡的主板上市公司，總部設于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過11億美元。1993年，世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經驗，世健在中國業(yè)內享有領先地位。