Excelpoint - ADI石油测井高温技术及方案

    测井技术又被称为地球物理测井技术，是地质家和油气藏开发工程师在油气藏勘探开发中的“眼睛”。依靠测井技术所获得的资料是测井评价、地质研究和油气藏开发的科学依据。在此环境中使用电子设备所面对的挑战是极端温度。该环境下的工作温度与井深成函数关系，而地热梯度平均约为25°C/km，某些地区可能更高。

    图1 高温高压的界定范围图例

    在全世界范围内，高温高压油田区块越来越普遍，遍布五大洲四大洋。区块有泰国湾、墨西哥湾、欧洲北海等。在国内，新疆油田、吉林油田、川渝区块、东海平湖油田、南海莺歌海等都以高温高压井况闻名。

    图2 高温高压油田区块分布
    在过去几年中，范围内越来越多的高温高压（HPHT）油田区块被勘探开发。这些油田储层的温度压力梯度往往非常高，需要在接近极端温度的环境下作业，因此需要借助专门的高温电子解决方案来保证性能和可靠性。

    对于这一问题，技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Nathan Xiao推荐ADI石油测井高温技术及方案。ADI通过自主研发已具备满足高温应用需求的能力，能提供专为极端温度设计的产品。该产品系列经，可在175°C至210°C高温环境下工作。

    图3 简化测井仪器信号链
    ADI支持高温产品的技术
    强大的硅工艺
    虽然标准硅工艺可以在125℃ 以上的航空级别温度要求下正常工作，但每上升10℃ ，标准硅工艺中的电流泄露就会增加一倍，许多精密应用无法承受这一情况。对比采用普通结隔离（JI）双极性工艺与 ADI自主研发的绝缘硅片（SOI）双极性工艺的典型NPN晶体管，图4中的黑色箭头指出了JI工艺器件内电流泄漏的路径，以及电流泄漏到衬底的寄生路径。随着温度的升高，电流泄漏的影响会呈指数增长，进而大大降低器件的性能。

    SOI工艺使用SiO2绝缘电介质层来阻隔衬底中的寄生电流。通过消除这种寄生泄漏路径，即使在非常高的温度环境中，也能够使器件性能保持稳定。采用沟道隔离、SOI工艺和标准硅工艺中的其他变化都会大大降低泄露，使高性能工作温度远高于200℃。

    图4 JI工艺与SOI工艺的结点泄露机制对比
    创新封装
    耐高温封装的一个主要失效机制是焊线与焊垫界面失效，尤其是金（Au）和铝（Al）混合时。一方面是边界接口的金属间化合物（IMC）生长，这会导致焊接易碎；另一方面是扩散（柯肯达尔效应），这会在接口处产生空洞，减小焊接强度并增加其电阻。

    ADI的HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序（以覆盖的形式显示），以得到金焊盘表面，然后与金线一起实现精致的金属焊接，从而避免形成金属间化合物。

    图5 镍钯金金属化

    图6显示了IMC的生长情况，在195℃高温条件下，经过500小时后会影响焊接的完整性，以及加装镍钯金隔离的金/金线焊在195℃高温条件下6000小时的情况。

    图6 195℃下500小时后的金/铝线焊

    图7 195℃下6000小时后加装镍钯金隔离的金/金线焊
    可靠性

    ADI的HT产品工序流程中包含针对高温应用需求定制的综合可靠性计划。所有HT产品均符合JEDEC JESD22‐A108规范的高温运行寿命（HTOL）测试。每款产品都至少有三个批次需要在高温度下进行至少1000小时的测试，确保符合数据手册技术规格。除了上述这类和其他测试之外，还需进行鲁棒性测试（如：闩锁免疫）、MIL-STD-883 D组机械测试以及ESD测试。

    图8 1000小时以上高温测试
    智能完井系统

    使用寿命是电子元器件在高温下的重要参数，其中问题和障碍是在高温条件下电子元件的化学反应加速（材料老化）从而导致失效。瑞典科学家阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）总结出一个方程式，k=Ae-Ea/RT，是化学反应速率常数随温度变化关系的定量表述，其中k为速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子（也称频率因子）。在温度增加10℃时，很多化学反应速率会翻倍。这个方程对于石油上游行业非常重要，它指出了井下仪器为代表的电子元器件失效机理。

    图9 预测寿命与工作温度的关系
    智能完井系统被称作井下监测控制系统，能够采集、传输和分析井下生产状态、油藏状态和整体完井管柱生产数据等资料，根据油井生产情况，以远程控制方式对油层进行监测控制。系统可提高产量、采收率，为实现信息化、智能化、自动化、数字油田奠定基础。一般情况下，智能完井系统需要在井下工作3年，长时间在高温环境中工作，选择器件的温度参数以及如何估算器件在特定温度下的使用寿命成为工程师选型考虑的一个难点。

    ADI根据阿伦尼乌斯方程，并考虑假设可能存在的设计和制造故障机制来预测寿命，图10显示了AD8229数据手册中预测寿命与工作温度的关系。同时，ADI也提供晶圆数据，通过使用活化能为0.7 eV的阿伦尼乌斯方程，在HTOL加速测试条件下生成的数据转换为终用户使用条件下的寿命，使用卡方统计分布分别计算了置信区间60%和90%的失效率数据。

    图10 ADI器件寿命试验数据
    ADI高温产品型号推荐

    Nathan介绍了以下几种ADI高温特色产品型号。可满足不同客户的需求。

   图11 ADI高温特色产品型号

    ADI高温应用方案
    适合高温环境的16位、600 kSPS低功耗数据采集系统CN0365

    CN0365是ADI提供的一个175℃低功耗高温数据采集参考设计，旨在提供一个完整的数据采集电路构建块，可获取模拟传感器输入、对其进行调理，并将其特征化为SPI串行数据流。该设计功能非常丰富，可用作单通道应用，也可扩展为多通道同步采样应用。

    图12 EVAL-CN0365-PMDZ 电路板照片

    图13 耐高温数据采集系统

    采用1 kHz输入信号和5V基准电压时，AD7981的额定SNR典型值为91dB；使用较低基准电压时，SNR 性能会有所下降。根据AD7981数据手册中的性能曲线，在室温和2.5V基准电压时，预期SNR约为86dB。当温度升高至175℃时，SNR性能仅降低至约84dB，THD仍然优于100dB。

    图14 SNR随温度的变化（1 kHz输入信号、580 kSPS）

    图15 THD 随温度的变化（1 kHz 输入信号、 580 kSPS）
    200°C高温数据采集和控制系统参考设计EV-HT-200CDAQ1

    该参考设计是不断壮大的ADI高温应用产品和解决方案生态系统里的成员，基于AD7981模数SAR转换器，展现了一种全功能的系统，带2个高速同步采样通道和8个额外的多路复用通道，可满足广泛的井下工具的数据采集需求（共10个通道）。实际电路板尺寸约长11.4英寸、宽1.1英寸。

    图16 EV-HT-200CDAQ1高温参考平台

    图17 高温参考平台功能框图
    采集后，数据处理可以在本地，也可通过UART或可选的RS-485通信接口传输出去。电路板上的其他配套组件（包括内存、时钟、电源和无源器件）均为各自供应商指定的、支持高工作温度的器件。经验证，这些组件能在200℃或以上的温度下可靠地工作。借助该平台，高温电子系统设计师可以在原型制作和评估中使用的组件，从而缩短开发时间和上市时间。
    ADI高温产品采用创新硅工艺、封装和测试技术进行设计，并且经，可在高温环境下工作。开发的产品在极其恶劣的高温环境下，也能够展现出高性能、高可靠性、小尺寸和低功耗等诸多优势。Excelpoint世健可以提供相关技术指导和支持，帮助客户提升产品开发效率。