CN109996385B

CN109996385B - 高温钻井电子装置

Info

Publication number: CN109996385B
Application number: CN201811612758.5A
Authority: CN
Inventors: 詹晟; 赵金海; 胡风涛; 郑和荣
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Tech Houston LLC
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: US20190208625A1; US10375826B2; CN109996385A

Abstract

一种用于井下应用的印刷电路板组件(PCBA)，具有印刷电路板(PCB)和安装在PCB上的多个电子元件。PCB包括聚酰亚胺基板、无铅表面处理、多条迹线、多个表面安装焊盘，以及多个垂直互连通道。多个表面安装焊盘中的一个的宽度与连接到其上的迹线的宽度之比为2或更小。

Description

高温钻井电子装置

技术领域

本公开涉及用于高温钻井操作的电子装置，尤其涉及适用于井下环境的印刷电路板(PCB)和印刷电路板组件(PCBA)。

背景技术

现代石油和天然气勘探在复杂的地质环境中进行。钻井作业严重依赖钻井工具状态以及地层特性的实时信息。这种信息可通过使用传感器和随钻测量(MWD)以及随钻测井(LWD)仪器来获得。虽然MWD指的是在钻井的持续期间针对钻井组件的运动和位置的测量，而LWD更多地关注地层特性的测量，但是它们在本公开中可互换使用。MWD/LWD仪器通常安装在钻井组件内的钻铤(即底孔组件或BHA)中。

传感器用于获得MWD/LWD仪器和电缆测井方法中的测量。其他电子元件包括有源元件，例如印刷电路板组件(PCBA)和晶体管，或者无源元件，例如电阻器和电容器。

在整个钻井系统中都会使用到PCBA。例如，它们可用于电源、温度传感器、压力传感器、电池等的操作。诸如主存储器板、读出板、发射器或接收器板，以及加速度计板之类的PCBA，都是井下环境中常用的电子器件之一。

PCBA可以通过已知方法与钻井系统中的各种传感器耦合。在一些实施例中，传感器可以集成在主存储器板上。传感器可以是用于监控钻井过程中的实时状况的测量传感器。例如，一些传感器监测地层的特性，例如电阻率、密度、孔隙度、渗透率、声学特性、核磁共振特性、流体或地层的腐蚀特性，以及盐或盐水含量。其他传感器可监测钻井工具的状况，例如钻头或钻柱中的振动(横向、扭转、轴向等)、方向和加速度。还有其他一些传感器可监测井下环境的温度和压力。在其他实施例中，传感器可以是预测传感器。与典型的钻井操作(例如，更高的温度或压力)相比，预测传感器会经受更苛刻的条件，使得它们以更快的速率失效。它们可用于估计另一个部件的故障时间。

传感器可以安装在钻井组件中的任何其他合适的部件上。例如，它们可以连接到钻头上以监控其运动或温度。传感器例如也可以沿钻孔安装，以监测钻井泥浆沿其路径的压力或流速。传感器(例如RFID)甚至可以放入钻井系统中的流体中，并分散到地层中。

处理器通常安装在PCBA上。处理器被配置为接收、存储或执行诸如计算机代码或传感器信号的数据。例如，处理器可以耦合到能提供可执行指令的程序模块和能存储由处理器执行的各种计算结果的记录介质。传感器信号是处理器的输入。PCBA还可以包含遥测单元，因此它可以将传感器信号传输到地面仪器以进行进一步的处理。反过来，PCBA也可以从地面控制单元接收输入。

井下钻井工具、尤其是钻井组件(也称为BHA)暴露于高温、高压以及振动和冲击下。常规的钻井可以在高达125℃的温度下进行。相比之下，深井中的井底温度可能超过200℃。由于泄漏电流、材料退化、除气和腐蚀等原因，这种高温大大降低了井下电子元件的可靠性和使用寿命。根据经验，温度每升高25℃，电子元件就会损失90％的使用寿命。因此，对于高温钻井操作来说，存在很大的针对具有足够的可操作寿命(例如几天到几周)的电子元件的需求。

发明内容

本公开提供了一种用于井下应用的印刷电路板组件(PCBA)。PCBA具有印刷电路板(PCB)和安装在PCB上的多个电子元件。PCB包括聚酰亚胺基板、无铅表面处理、多条迹线、多个表面安装焊盘，以及多个垂直互连通道(VIA)。

在本公开的一个实施例中，多个表面安装焊盘中的一个的宽度与连接到其上的迹线的宽度之比为2或更小。在另一个实施方案中，聚酰亚胺基板是聚酰亚胺35N或聚酰亚胺85N，优选是聚酰亚胺85N。

在本公开的另一实施例中，PCB具有无铅表面处理，其为化学镍金(ENIG)、化学镀金、化学镀钯、浸银、浸锡(ENEPIG)、有机焊接防腐(OSP)，铜上直接镀金(DIG)，优选为化学镍金(ENIG)。

在又一个实施例中，多条迹线中的每一个具有0.5mm或更大的宽度。

在其他一些实施例中，PCB中的垂直互连通道包括标准垂直互连通道、微垂直互连通道、盲垂直互连通道和埋设垂直互连通道。在一些实施例中，标准垂直互连通道具有直径为0.30mm或更大的孔。

在其他一些实施例中，PCB具有一个或多个用于安装多个电子元件的镀通孔。

在一些实施例中，安装在PCB上的电子元件与PCB边缘之间的距离遵循以下关系：当电子元件的高度小于3mm时，该距离至少为2.0mm；当电子元件的高度为3mm或更高时，该距离至少为2.5mm。

本公开的印刷电路板组件(PCBA)可在高达200℃下操作超过500小时。

附图说明

通过结合附图并考虑以下详细描述，可以容易地理解本发明的教导。

图1是用于测试耐久性的本公开的PCBA的图片。

图2是显示了PCBA在175℃下的耐久性试验结束时的数据的图。

图3示出了在现场测试中定向钻井的曲线的一部分。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体的实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中描述实际实现中的所有特征。应当理解，在任何此类的实际实现的开发中，例如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定性的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的和与业务相关的约束，这可能因实施而异。此外应该理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，它们仍然是设计、制造和加工的常规任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是非排他性的，并且意味着可能存在除所列元件之外的其他元件。

现在将详细参考本公开的实施例，其示例在附图中示出。应注意，只要可行，在附图中可以使用类似或相似的附图标记来表示相似或类似的元件。

在本公开的一个实施例中，印刷电路板(PCB)包括聚酰亚胺基板。聚酰亚胺35N或85N是适用于高温操作的示例性基板。此外，聚酰亚胺85N是用于印刷线路板的优选的聚酰亚胺和层压预浸渍系统，其在制备PCB时(例如在无铅焊接应用中)和在井下底孔组件中的最终用途中都需要耐高温性。它的玻璃化转变温度(Tg)大于250℃。

在另一个实施例中，PCB具有无铅表面处理。表面处理中的铅会污染锡/银高温焊料，并可能降低焊料的熔点。无铅表面处理包括化学镍金(ENIG)、化学镀金、化学镀钯、浸银、浸锡(ENEPIG)、有机焊接防腐(OSP)以及铜上直接镀金(DIG)。

此外，ENIG是优选的表面处理。在ENIG中，折叠层比通过电解电镀获得的折叠层薄得多，因而更不可能引起问题。ENIG层的典型厚度为3-6μmNi/0.05-0.125μmAu。

也可以选择其他表面处理。银和镍都已用于井下PCB，但由于不可避免的氧化，两者都会在相对短暂的时期后具有焊接能力问题。也可以使用纯锡。镀金表面处理也是一种选择，但应知道铜可能溶解在金中并产生易于失效的脆性焊点。为了解决这个问题，铜迹线和镀金之间的镀镍屏障可以防止铜溶解在金中。

在另一实施例中，PCB具有多条迹线。表1中显示了迹线的最小宽度(x)和两条迹线之间的最小间距(y)。如果迹线小于最小宽度，则在制造时其可能会打开(无连接)。如果两条迹线之间的间距小于最小间距，则在制造时它们很可能会短路。这些参数可以指定为“x/y规则”，其中x是最小迹线宽度，y是最小迹线间距。例如，“8/10规则”表示8密耳(mil)(即0.20mm)的最小迹线宽度和10密耳(即0.25mm)的最小迹线间距。这些规则(尤其是间距)适用于PCB上的任何金属，包括PCB上的焊盘到迹线间距以及线宽。

表1

描述	铜线的最小宽度(x)	最小间距(y)
			高密度布线	0.125mm(5mil)	0.15mm(6mil)
标准布线	0.2mm(8mil)	0.25mm(10mil)
			手焊板布线	0.3mm(12mil)	0.35mm(14mil)

此外，连接到芯片部件的表面安装焊盘的迹线应具有2或更小的焊盘宽度与迹线宽度之比。表2示出了一些示例性的迹线宽度。

表2

另外，迹线宽度优选为0.5mm或更大。对于井下PCB，较大的迹线宽度可提供更好的鲁棒性和可维护性。如果使用较小的迹线，则在焊盘上使用圆角(也称为“泪珠”)或等效结构来减少应力。如果需要较小的迹线在集成电路之类的器件焊盘之间通过，则迹线宽度应在该区域内减小。在路径约束允许的情况下，在板的元件侧和焊接侧复制迹线是一种很好的做法。这种冗余足以防止在某些情况下工具失效。

在又一个实施例中，PCB具有多个垂直互连通道。垂直互连通道可以是从一个外层延伸到另一个外层的标准垂直互连通道。标准垂直互连通道与平面和多边形的连接应通过热风焊盘来完成。用于井下操作的PCB中的垂直互连通道孔优选为0.30mm或更大。表3列出了标准垂直互连通道的规格。

表3

应注意，铜层的重量盎司(oz)表示铜箔的厚度。测量指的是每平方英尺箔片达到1盎司质量所需的箔片。1oz铜表示35微米厚度，2oz相当于70微米厚度。

在一些实施例中，PCB使用铜-因瓦-铜(CIC)来加强PCB并控制膨胀。CIC是两层铜层之间设有因瓦的三明治结构。因瓦是一种含镍的铁合金，在轧制过程中粘合以将厚度减少到0.006英寸。CIC可有效地限制PCB在高温环境中的整体运动。最后，还有一个额外的好处是，两层CIC可充当固有的接地面。

在其他一些实施例中，PCB包含从外层延伸到内层的盲垂直互连通道。除了用于缝合或屏蔽的盲垂直互连通道之外，盲垂直互连通道的最大深度应为PCB中的各层总深度的一半。下面的表4显示了盲垂直互连通道的规格。

表4

PCB还可以包含一个或多个微垂直互连通道，其为通常通过激光烧蚀产生的高密度互连(HDI)结构。微垂直互连通道的深度应限制在单层，且具体地仅用于将外层连接到第一内层。微垂直互连通道也可以是焊盘内的垂直互连通道，其还具有铜插入的微垂直互连通道。与平面和多边形的微连接是没有热风焊盘的直接连接。

表5

项目	层	盲VIA
			VIA孔	不适用	0.13mm(5mil)
VIA焊盘	所有层	0.35mm(14mil)
			纵横比(深度:孔径)	不适用	最大1:1
最大电流能力	不适用	约0.5A

PCB中的垂直互连通道也可以是埋设的垂直互连通道，其从一个内层延伸到另一内层。

在其他实施例中，PCB包含一个或多个热垂直互连通道，用于通过PCB的热传递。当焊盘在电学意义上是非必要的时，可以使用热垂直互连通道；或者，焊盘中的热垂直互连通道的最大内部总体积小于焊盘面积的5％乘以0.15；或者，不在未屏蔽的铜区域内的热垂直互连通道采用焊接掩模。

在其他一些实施例中，使用二次焊接掩模施加工艺来对PCB上的具有小于0.8mm的孔的所有标准垂直互连通道和自由焊盘进行封盖。采用垂直互连通道封盖是为了防止灌封和渗漏液体从板的一侧渗到另一侧。垂直互连通道应仅从板的一侧封盖。通常，掩模应用在主安装层上，然而，在具有表面安装栅格阵列部件(如BGA)的PCB上，掩模应施加在与这些部件的安装侧相反的一侧。

在其他一些实施例中，PCB还包含一个或多个用于安装电子元件的镀通孔(PTH)。电子元件可具有多个引脚。下面的表6显示了优选的引脚尺寸与PTH尺寸的关系。

表6

下表7显示了在本公开的一些实施例中的优选的PTH焊盘尺寸。

表7

项目	层	最小值
			PTH焊盘	所有层	孔径+0.6mm(24mil)
PTH焊盘距离	所有层	主体尺寸+4mm(160mil)

圆角(或泪珠)优选用于PTH和PCB上的迹线之间的焊接连接。使用铜/因瓦/铜(CIC)约束核心的板上的迹线与PTH的所有连接应仅在外部层上进行，无论是顶部还是底部。

此外，所有与平面和多边形的焊接PTH连接应通过热风焊盘来完成，可以根据IPC-2222的第9.1.2节来计算。

根据IPC-2222(第9.1.2节)，所有层上的所有热辐条的总宽度不得超过4mm。此规则是针对1oz的铜层计算的。在找到所有层上的所有热辐条的总宽度之前，任何不是1oz的层都会转换为等效于1oz。CIC层应转换为1.5倍的1oz铜层。

表8

例如，标准布线的PCB具有两个CIC平面和两个2oz铜平面，PTH在每个CIC层上连接两个0.35mm辐条，在每个铜层上连接两个0.2mm辐条：

0.7mm(CIC1)+0.7mm(C1C2)+0.4mm(铜层1)+0.4mm(铜层2)变为

0.7毫米×1.5+0.7毫米×1.5+0.4毫米×2+0.4毫米×2＝3.7毫米

在上面的相同示例中，当有两个额外的1oz铜层均连接两个0.2毫米辐条时，所有层上的所有热辐条的总宽度超过允许的最大值4毫米，并需要更改设计。

作为替代，在其他实施例中，短迹线从PTH中引出，并通过标准垂直互连通道连接到所有平面。

在其他实施例中，PTH元件引线中心间隔遵循用于计算电子元件的中心线安装距离的方法：

CS＝安装焊盘的中心间距

L＝元件主体的长度(最大)

DCL＝元件引线直径(最大值)

BAF＝弯曲允许系数

BAF方程＝(7.6×DCL)-0.3

因此，在示例性实施例中，

当DCL小于或等于0.54mm(0.022”)时，BAF＝3.8mm(0.150”)，

当DCL小于或等于0.64mm(0.025”)时，BAF＝4.5mm(0.180”)，

当DCL小于或等于0.71mm(0.028”)时，BAF＝5.6mm(0.200”)，

当DCL小于或等于0.81mm(0.032”)时，BAF＝5.8mm(0.230”)。

在本公开的PCB的其他实施例中，使用Altium平面层来设定设计平面和分割平面。或者，当VIA或PTH需要依赖于层的平面连接时(例如，与CIC的连接不同于与铜的连接)，允许在这些层上使用多边形。

优选地，多边形应以固体填充模式灌注。应去除宽度小于最小热辐条宽度的铜颈。

在平面和多边形是铜/因瓦/铜(CIC)核心的实施例中，存在以下特征。CIC平面轮廓覆盖了层的整个表面减去CIC到板边缘的间隙。不应存在用于与CIC箔的其余部分分离的多个网或岛的分割CIC平面。另外，在CIC平面上，“一端连接”的辐条的长度(B)不超过其连接宽度(A)的一半。

在其他实施例中，PCB具有特定的尺寸。表8和9分别示出了PCB的长度和宽度的一些示例性尺寸。

表9

PCB的厚度为1.6毫米、2.10毫米或2.36毫米。厚度公差为±0.15mm是可以接受的。

在进一步的实施例中，介电层的类型和厚度关于板截面的纵长中心线对称。金属层的类型和厚度关于板截面的纵长中心线对称。层的数量是偶数。

PCB可以由顺序的叠片组成，其形成对称的子对以避免弯曲。此外，当使用盲垂直互连通道或埋设垂直互连通道时，它们存在于PCB的两侧并具有相同的深度。

本公开中的PCB具有设置在PCB上的电子元件。表10示出了电子元件和PCB边缘之间的示例性的最小距离。

表10

元件高度	离PCT轮廓的最小距离
		<3mm(118mil)	Sp＝2.0mm(0.08”)
3mm或更高	Sp＝2.5mm(0.1”)

在某些实施例中，PCB安装有橡胶垫圈。在这样的PCB中，PCB上的部件重量和PCB的宽度均匀地分布在PCB上。使用至少四个橡胶垫圈并成对放置，例如，在PCB的每个长边处一个。两个相邻橡胶垫圈之间的距离应为50mm或更小，例如25.4mm。

此外，SMT元件不得放置在板同一侧的通孔或较大的SMT元件的下面。除非是不可避免的功能设计要求，否则不应将通孔元件放置在PCB的底部。

实验室测试

在200℃下测试本公开的PCBA的高温存活率。图1是所测试的PCBA的图片。PCB具有ENIG表面处理，并且铜厚度为2oz。焊料是SN96。内层铜从边缘向后拉0.025英寸。它与设置用于5VDC和400mA的负载箱连接。采用LabVIEW来控制和记录来自电源的数据。PCBA在200℃的烘箱中连续测试797小时，之后无法满足负载箱的要求。图2显示了来自测试的最后一周的数据，表明在200℃的烘箱中累计797小时后电压突然下降。

此外，配备有本公开的PCB和多个传感器(方位角、倾角、总H场、总G场、俯角等)的定向钻井模块成功地通过了一系列旨在测试其在井下条件中的性能的测试。

在振动测试中，在175℃下对定向钻井模块施加20G_rms的随机振动。表11比较了测试前后的传感器信号的变化。观察到轻微的变化，但结果符合规范。

表11

在冲击试验中，冲击的幅度为500G。每次冲击以6个不同方向(即+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z)每次1ms的持续时间以半正弦波施加，在每个方向上进行10次冲击。在冲击测试期间对PCBA供电。冲击试验分别在室温、150℃和175℃下进行。表12显示了在175℃的冲击试验之前和之后各种传感器的结果。

表12

还进行了不同温度下的扩展翻转测试。表13显示了在175℃下总计1000小时的方向模块的翻转测试的结果。

表13

在温度循环测试中，对方向模块进行了从室温到175℃的50个温度循环。结果显示于表14中。

表14

现场测试

在定向钻井中对包含本公开的PCBA的MWD仪器进行现场测试。图3示出了定向钻井的曲线的一部分。表15示出了对应于图3中的部分的数据。该井的总深度为7947米。垂直部分的深度为7456米，水平部分的总长度为521米。构建部分的深度在约7372米至约7480米之间。水平部分从点A开始，其水平位移约为50米。点B是钻头的位置。产油区的温度约为165-170℃。MWD仪器在井下运行297小时至失效，然后更换。

表15

井深(m)	垂直深度(m)	水平位移(m)	方位角(o)	井斜(o)
					7402	7398	-10	34.7	292.2
7411	7406	-4	41.9	291.4
					7421	7413	3	47.6	294.0
7431	7419	10	53.4	292.4
					7440	7424	18	59.5	290.8
7450	7428	26	64.7	290.1
					7469	7432	44	76.8	289.0
7478	7435	54	82.1	286.0
					7498	7438	73	86.2	286.6
7527	7440	102	87.9	285.8
					7575	7441	150	88.0	287.4
7623	7442	198	90.1	288.0
					7681	7443	256	88.3	288.6
7729	7444	304	89.6	287.0
					7778	7444	352	89.7	287.4
7826	7445	400	89.6	287.8
					7874	7446	448	87.1	286.6
7922	7451	496	80.4	286.7
					7947	7456	521	80.0	286.3

虽然在前面的说明书中已经关于本发明的某些优选实施例描述了本公开，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开内容易于改变并且确定在不脱离本公开的基本原理的情况下，本文描述的其他细节可以显着变化。另外，应当理解，本文的任何一个实施例中示出或描述的结构特征或方法步骤也可以用在其他实施例中。

Claims

1.一种用于井下应用的印刷电路板组件，包括：

印刷电路板和安装在所述印刷电路板上的多个电子元件，

其中，所述印刷电路板包括聚酰亚胺基板、无铅表面处理、多条迹线、多个表面安装焊盘，以及多个垂直互连通道，

其中，多个表面安装焊盘中的一个的宽度与连接到其上的迹线的宽度之比为2或更小；

其中，所述多条迹线具有0.5mm或更大的宽度，

其中，所述多个电子元件与印刷电路板的边缘之间的距离遵循以下关系：当电子元件的高度小于3mm时，该距离至少为2.0mm；当电子元件的高度为3mm或更大时，该距离至少为2.5mm，

其中，在175℃下进行冲击试验，方位角变化小于0.111，倾角变化小于0.018。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述聚酰亚胺基板是聚酰亚胺35N或聚酰亚胺85N。

3.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述无铅表面处理为化学镍金、化学镀金、化学镀钯、浸银、浸锡、有机焊接防腐或铜上直接镀金。

4.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述多个垂直互连通道包括一个或多个微垂直互连通道、一个或多个盲垂直互连通道，以及一个或多个埋设垂直互连通道。

5.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述多个垂直互连通道均具有0.30mm或更大的直径。

6.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述印刷电路板还包括一个或多个镀通孔，用于安装所述多个电子元件。

7.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述印刷电路板组件能够在高达200℃下操作超过500小时。

8.根据权利要求1所述的印刷电路板组件，其特征在于，所述印刷电路板具有2oz或更小的铜厚度。