MCM TEST: Modulen inneholder høytemperatur integrert krets (IC), trykte motstander og trådbånding. Fylles med nitrogen og lukkes hermetisk. (Bilde: SINTEF)

Endelig elektronikk som holder



Et forskningsprosjekt hos SINTEF har demonstrert 12 tusen timers feilfri drift av elektronikkmoduler ved 250ºC. Etter normale beregningsmetoder tilvarer det omtrent 30 års levetid ved 200ºC! Konsekvensene for oljeindustrien bør bli store.

Sensorer og elektronikk som kan overleve forholdene i en oljebrønn i mange år, er kritisk mangelvare i oljesektoren. Med muligheter til å overvåke brønnens og feltets tilstand, og styre produksjonen optimalt, kan utvinningsgraden økes vesentlig.

Overvåkning er kostbart og vanskelig med dagens utstyr, spesielt for undervannsbrønner hvor det er ekstra komplisert å komme ned i brønnen med måleutstyr. Kan oljeselskapene derimot stole på at elektronikken holder i brønnens levetid, kan permanent måleutstyr installeres samtidig som brønnen kompletteres.



Problemet er levetiden

Miljøet i en oljebrønn er ugjestmildt for sensitivt måleutstyr. I de varmeste brønnene er temperaturen opp mot 200ºC og trykket ligger i området 500 – 1500 bar.

God pålitelighet over lang tid er essensielt for slikt utstyr. I praksis har det vært vanskelig å oppnå. Det finnes enkeltkomponenter og sensorelementer som takler forholdene. Utfordringen er å få satt bitene sammen til en pålitelig pakke.

SINTEF arbeider med problemstillingene i et prosjekt støttet av Norges Forskningsråd og norske industripartnere. Hovedmålsetting er å utvikle elektronikkindustriens kunnskap innenfor produksjon av pålitelig elektronikk for krevende miljøer, slik at de kan møte oljeindustriens behov.



De viktige detaljene

Påliteligheten til et system er ikke bedre enn det svakeste leddet i kjeden; én svak kobling fra chip til kretskort eller én dårlig loddet kontakt kan føre til havari.

Prosjektet har sett nærmere på kombinasjonen av elementer i en sammensatt elektronikk/sensor pakke. Særlig viktig er det å finne ut hvordan ulike materialer virker sammen under høy temperatur og hermetiske betingelser.

Et typisk eksempel på en feilmekanisme finnes inne i de plastkapslede komponentene som er i all forbrukerelektronikk i dag. Inne i plastkapslingen ligger silisiumbrikken med lederbaner i aluminium. Disse lederbanene er elektrisk forbundet med pakkens ben med gulltråder.

Når temperaturen stiger begynner aluminium fra brikken å diffundere inn i gulltråden og det dannes Al/Au intermetaller. Dette er mekaniske svake og dårlig ledende stoffer og det oppstår dårlige kontakter med sprekker og hulrom i overgangen.

Plast er et problem i seg selv når temperaturen blir høy. Standard komponentkapsling inneholder mljøgiften bromerte flammehemmere og andre tilsatsstoffer som begynner å gasse ut rundt 100ºC. Utgassingsproduktene kan øke intermetallveksten med flere tierpotenser.



Slagplan for bedre pålitelighet

En nøkkel til bedre pålitelighet er høy integrasjonsgrad i de elektroniske brikkene. Dette gir færre kritiske forbindelser på kretskortnivå og reduserer sannsynligheten for feil. SINTEF utvikler egne integrert kretser som er spesielt designet for høy temperatur - HTASIC TM. Disse kretsene spiller en viktig rolle for å oppnå ønsket pålitelighet.

Men kretsene og sensorene må også settes sammen. Ved å bruke en felles pakke, en såkalt multichipmodul, oppnås en kompakt løsning hvor med full kontroll av alle materialer og prosesser som inngår i pakken.

Alle produksjonsprosesser utføres av industripartnerne i prosjektet. Målet er at brønnelektronikk med høy pålitelighet skal bli kommersielt tilgjengelig for oljeindustrien.



Feilfritt etter 12000 timer ved 250ºC!

I prosjektet har SINTEF satt sammen multichipmoduler for test under høy temperatur og høye trykk. Viktige elementer som lim, metallsystemer, trådbånding ,og trykte motstander er med.

Ingen har imidlertid tid til å vente 10 år på resultater. Derfor akselereres testene ved å heve temperaturen til 250 0Csom er omtrent det maksimale som kan brukes uten at feilmekanismene endres radikalt.

Multichipmodulene har nå operert feilfritt i 12000 timer ved 250ºC. En tommelfingerregel sier: ”dobling av levetiden for hver 10. grad reduksjon av temperaturen”.

Med SINTEFs resultater så langt, tilsvarer dette 30 års drift ved 200ºC. Dette er et grovt estimat, og for mer komplekse systemer er nok en slik levetid urealistisk. Det er likevel svært oppløftende resultater som antyder at 10 års levetid i varme brønner er innen rekkevidde.



Elektronikk ’trykkokt’ i olje

Det er ofte svært trangt om plassen for et målesystem i en oljebrønn. Normalt bygges elektronikken inn i trykkfaste beholdere, men dette stjeler mye plass.

For å gjøre systemet minst mulig ser vi også på muligheten for å eksponere elektronikken direkte for brønntrykket. I en trykkbeholder fylt med silikonolje er det kjørt en multichipmodul 8000 timer på 1000 bars trykk ved 200 grader.

Testen viser at både den integrerte kretsen og de andre elementene i pakken tåler trykket godt. Kondensatorer har vist seg å være en utfordring under høyt oljetrykk. Det arbeides aktivt med å finne gode løsninger.