(57)【要約】      （修正有）【課題】ダウンホールモジュールで使用する接続信頼性の良好な電子アセンブリを提供する。【解決手段】電子アセンブリ２００は、多層セラミックアセンブリと、多層セラミックアセンブリ上に配置される電子部品２４０とを有し、多層セラミックアセンブリは、セラミック基板２２０と、セラミック基板２２０上に配置されるニッケルめっき層と、ニッケルめっき層上に配置される０．５ミクロン未満の厚さを有する金めっき層と、を含み、電子部品２４０と金めっき層とは、アルミニウムワイヤでワイヤボンドされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリであって、
セラミック基板と、前記セラミック基板上に配置される第１のめっき層と、前記第１のめっき層上に配置される第２のめっき層であって、約０．５ミクロン未満の厚さを有する、第２のめっき層と、を含む多層セラミックアセンブリと、
前記多層セラミックアセンブリ上に配置される電子部品と、
前記電子部品と前記第２のめっき層との間に延在するワイヤボンドと、を備える、電子アセンブリ。
【請求項２】
前記多層セラミックアセンブリは、高温同時焼成セラミック基板または低温同時焼成セラミック基板を備える、請求項１に記載の電子アセンブリ。
【請求項３】
前記多層セラミックアセンブリは、酸化アルミニウムセラミック基板を備える、請求項１または請求項２に記載の電子アセンブリ。
【請求項４】
前記ワイヤボンドは、アルミニウムワイヤボンドを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項５】
前記第１のめっき層は、約５ミクロン〜約１２ミクロンの範囲の厚さを有するニッケルめっき層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項６】
前記第２のめっき層は、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンの範囲の厚さを有する金めっき層を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項７】
ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリであって、
第１の表面および第２の表面を有するセラミック基板と、前記セラミック基板の前記第１の表面上に配置される第１のニッケルめっき層と、前記セラミック基板の前記第２の表面上に配置される第２のニッケルめっき層と、前記第１のニッケルめっき層上に配置される第１の金めっき層であって、約０．５ミクロン未満の厚さを有する第１の金めっき層と、前記第２のニッケルめっき層上に配置される第２の金めっき層であって、約０．５ミクロン未満の厚さを有する第２の金めっき層と、を含む、多層セラミックアセンブリと、
前記多層セラミックアセンブリ上に配置される電子部品と、
前記電子部品と、前記第１の金めっき層または前記第２の金めっき層のいずれかとの間に延在するワイヤボンドと、を備える、電子アセンブリ。
【請求項８】
前記多層セラミックアセンブリは、高温同時焼成セラミック基板、低温同時焼成セラミック基板、または酸化アルミニウムセラミック基板のうちの１つを備える、請求項７に記載の電子アセンブリ。
【請求項９】
前記第１のニッケルめっき層は、約５ミクロン〜約１２ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項７または請求項８に記載の電子アセンブリ。
【請求項１０】
前記第２のニッケルめっき層は、約５ミクロン〜約１２ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の金めっき層は、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項１２】
前記第２の金めっき層は、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の電子アセンブリ。
【請求項１３】
ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリを製造する方法であって、
セラミック基板と、前記セラミック基板上に配置されるニッケルめっき層と、前記ニッケルめっき層上に配置される金めっき層であって、約０．５ミクロン未満の厚さを有する金めっき層と、を有する多層セラミックアセンブリを提供することと、
前記多層セラミックアセンブリ上に電子部品を配置することと、
前記電子部品と前記金めっき層との間にワイヤボンドを延在させることと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記多層セラミックアセンブリを提供することは、セラミック基板と、約５ミクロン〜約１２ミクロンの厚さを有するニッケルめっき層と、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンの厚さを有する金めっき層とを有する多層セラミックアセンブリを提供することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電子部品と前記金めっき層との間にワイヤボンドを延在させることは、前記電子部品と前記金めっき層との間にアルミニウムワイヤボンドを延在させることを含む、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
石油坑は、高圧かつ高温の流体組成物が動作と相まって、掘削時測定（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｗｈｉｌｅ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ：ＭＷＤ）および／または掘削時検層（ｌｏｇｇｉｎｇ  ｗｈｉｌｅ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ：ＬＷＤ）動作を困難にするため、苛酷な環境である。ＭＷＤおよびＬＷＤ動作のために使用される装置は、約１２５℃超の温度に供され得る種々の電子機器を含む。これらの温度での印刷回路板の寿命および信頼性が悪影響を受ける可能性があるため、厚膜セラミック、高温同時焼成基板、および低温同時焼成基板などの基板を使用するセラミック基板技術が開発されている。
【０００２】
セラミック基板を使用する多くの電気部品において、厚い（約１ミクロン超の）めっき層を有する基板とベアダイとを相互接続するために、アルミニウムワイヤボンド接続が使用される。場合によっては、めっき層は、金層であってもよい。これらの場合、金層とアルミニウムワイヤボンドとの間の相互接続は、約１２５℃超の高温において低い信頼性を有し得る。低い信頼性は、金層とアルミニウムワイヤボンドとの間に形成する可能性がある、Ａｕ５Ａｌ２（時としてホワイトプレーグとして知られる）、およびＡｕＡｌ２（時としてパープルプレーグとして知られる）などの金属間化合物の生成に起因する可能性がある。これらの化合物は、電気抵抗を増加させ、アルミニウムワイヤボンドと金層との間の接続を弱化させる可能性がある。
【発明の開示】
【０００３】
アルミニウムワイヤボンドなどのワイヤボンドと、金めっき層などのめっき層を有するセラミック基板との間の相互接続の平均寿命および信頼性は、任意に、金層下のニッケル層の厚さを増加させることと併せて、金層の厚さを制限することによって改善することができる。
【０００４】
したがって、本開示の実施形態は、ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリにおいて見出すことができ、電子アセンブリは、多層セラミックアセンブリと、多層セラミックアセンブリ上に配置される電子部品とを有する。多層セラミックアセンブリは、セラミック基板と、セラミック基板上に配置される第１のめっき層と、第１のめっき層上に配置される０．５ミクロン未満の厚さを有する第２のめっき層とを含む。電子アセンブリは、電子部品と第２のめっき層との間に延在するワイヤボンドを含む。
【０００５】
本開示の別の実施形態は、ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリにおいて見出すことができ、電子アセンブリは、多層セラミックアセンブリと、多層セラミックアセンブリ上に配置される電子部品とを有する。多層セラミックアセンブリは、第１の表面および第２の表面を有するセラミック基板と、セラミック基板の第１の表面上に配置される第１のニッケルめっき層と、セラミック基板の第２の表面上に配置される第２のニッケルめっき層とを含み、第１の金めっき層は、第１のニッケルめっき層上に配置される約０．５ミクロン未満の厚さを有し、第２の金めっき層は、第２のニッケルめっき層上に配置される約０．５ミクロン未満の厚さを有する。電子アセンブリは、電子部品と、第１の金めっき層または第２の金めっき層のいずれかとの間に延在するワイヤボンドを含む。
【０００６】
本開示の別の実施形態は、ダウンホールモジュールで使用するための電子アセンブリを製造する方法において見出すことができる。セラミック基板と、セラミック基板上に配置されるニッケルめっき層と、ニッケルめっき層上に配置される０．５ミクロン未満の厚さを有する金めっき層とを有する、多層セラミックアセンブリが提供される。電子部品は、多層セラミック基板上に配置され、ワイヤボンドは、電子部品と金めっき層との間に延在される。
【０００７】
複数の要素を有する複数の実施形態が開示されるが、さらに他の実施形態および要素が、例示的な実施形態を示し、説明する、以下の発明を実施するための形態から、当業者には明らかとなるであろう。したがって、図面および発明を実施するための形態は、事実上、制限としてではなく、例示として見なされるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の実施形態に従う、坑井現場システムの概略図である。
【図２】本開示の実施形態に従う、ワイヤボンドアセンブリの概略例示図である。
【図３】本開示の実施形態に従う、電子アセンブリの概略例示図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
方法、装置、およびシステム実施形態を含む、本開示の１つ以上の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの説明される実施形態およびそれらの種々の要素は、本開示の技術の実施例に過ぎない。いかなるかかる実際の実装の開発においても、任意の工学または設計プロジェクトと同様に、ある実装から別のものへと変化する可能性がある、システム関連および業務関連制約との準拠性などの、開発者の具体的な目標を達成するように、多数の実装固有の決定を行うことができるということを理解されたい。さらに、かかる開発努力は、時間がかかる場合もあるが、それでもなお、本開示の利益（複数を含む）を有する当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な事業であろうことを理解されたい。
【００１０】
本開示の種々の実施形態の要素を導入する時、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という冠詞は、要素のうちの１つ以上が存在することを意味することを意図する。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する」という用語は、列記される要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを包含するおよび意味することを意図する。さらに、本開示の「一実施形態」または「実施形態」への言及は、列記される要素も組み込む追加の実施形態の存在の除外として解釈されることを意図しないことを理解されたい。
【００１１】
図１は、坑井現場装置、システム、および方法論の実施形態を示す。図１の坑井現場システムは、例えば、燃料、原材料、および他の目的のために、使用、精製、および別様に処理することができる、油、天然ガス、および他の資源を探査および産生するために、陸上または海上にあることが可能である。図１の坑井現場システムにおいて、ボアホール１１は、任意の好適な技術を使用した回転掘削によって、岩形成物などの地下形成物において形成することができる。ドリルストリング１２は、ボアホール１１内に懸吊することができ、かつ、その下端部にドリルビット１０５を含む、ボトムホールアセンブリ１００を有することができる。図１の坑井現場システムの表面システムは、プラットフォームと、ボアホール１１上に位置付けられるデリックアセンブリ１０とを含むことができ、プラットフォームおよびデリックアセンブリ１０は、回転テーブル１６と、ケリー１７と、フック１８と、回転スイベル１９とを含む。ドリルストリング１２は、任意の好適な手段によってエネルギー供給される回転テーブル１６によって回転させることができ、ドリルストリング１２の上端部でケリー１７に係合する。ドリルストリング１２は、フック１８から懸吊させ、ケリー１７および回転スイベル１９を通って、移動ブロック（図示せず）に付着させることができ、フック１８に対するドリルストリング１２の回転を可能にする。トップドライブシステムが代替的に使用され得、当該技術分野における当業者に公知のトップドライブシステムとすることができる。
【００１２】
図１の坑井現場システムにおいて、表面システムは、坑井現場で形成されるピット２７に格納される掘削流体または泥２６も含むことができる。ポンプ２９は、スイベル１９内のポートを介して、ドリルストリング１２の内側に掘削流体２６を送達することができ、方向矢印８によって示されるように、ドリルストリング１２を通って下方に掘削流体を流れさせる。掘削流体２６は、ドリルビット１０５内のポートを介して、ドリルストリング１２を出て、方向矢印９によって示されるように、ドリルストリング１２の外側と、ボアホール１１の壁との間の環形領域を通って上方に循環することができる。このように、掘削流体２６は、ドリルビット１０５を潤滑化し、流体２６が再循環のためにピット２７に戻される際、形成物の切断部を表面に運搬する。
【００１３】
図１の坑井現場システムのボトムホールアセンブリ１００は、一例として、掘削時検層（ｌｏｇｇｉｎｇ−ｗｈｉｌｅ−ｄｒｉｌｌｉｎｇ：ＬＷＤ）モジュール１２０、掘削時測定（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ−ｗｈｉｌｅ−ｄｒｉｌｌｉｎｇ：ＭＷＤ）モジュール１３０、回転操縦可能システム、およびモータ１５０、ならびにドリルビット１０５のうちの１つ以上を含むことができる。その後の図面に関して述べられるように、ＭＷＤ／ＬＷＤモジュールなどのダウンホール装置は、その点で、ある金属間化合物が、異なる金属部品間の界面で形成される可能性がある、約１２５℃超の高温に供され得る、多様な熱産生部品（例えば、マルチチップモジュール）を含むことができることが理解されよう。金属間化合物は、電気抵抗を増加させ得、かかる界面の機械的結合を弱化させ得る。
【００１４】
一部の実施形態において、ＬＷＤモジュール１２０（図１）またはＭＷＤモジュール１３０（図１）などのダウンホール装置は、基板にワイヤ結合される電気部品を含むことができる。図２は、セラミック基板２２０に固設されるアクティブダイ２１０を含む、電子アセンブリ２００の概略図である。ワイヤボンド２３０は、アクティブダイ２１０上の電子部品２４０からセラミック基板２２０に延在する。電子部品２４０は、集積回路、トランジスタ、レジスタ、コンデンサ等のうちの１つ以上を含んでもよい。一部の実施形態において、ワイヤボンド２３０は、金、銀、銅、および他のものなどの導電性材料で形成されてもよい。一部の実施形態において、ワイヤボンド２３０は、アルミニウムワイヤであってもよい。
【００１５】
一部の実施形態において、セラミック基板２２０は、多層セラミックアセンブリであってもよい。一部の実施形態において、セラミック基板２２０は、Ａｌ２Ｏ３セラミック、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）、またはＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）であってもよい。一部の実施形態において、多層セラミックアセンブリは、例えば、まず、未焼成またはグリーンセラミックテープ層内に空洞およびビアを穿孔し、金属ペーストを使用して、テープ表面上の空洞およびビアならびに印刷回路トレースを充填し、その後、グリーンテープ層を重ね合わせ、積層し、炉内で焼成することによって形成することができる、ＨＴＣＣまたはＬＴＣＣなどの多層同時焼成セラミックであってもよい。
【００１６】
多くのＨＴＣＣおよびＬＴＣＣ材料は、腐食に対して保護するように、および電気部品の付着を容易にするように、最終金属めっき層を含むことができる。場合によっては、最終金属めっき層のための機械的基材を提供するように、最終金属めっき層の下に金属基材層が使用されてもよい。多様な異なる金属が、金属基材層のために、および最終金属めっき層のために使用されてもよい。一部の実施形態において、金属基材層は、ニッケル層であってもよい。一部の実施形態において、最終金属めっき層は、金層であってもよい。場合によっては、ニッケル層は、金層のための機械的基材を提供し、それによって、金層の摩耗抵抗を改善する。
【００１７】
図３は、本開示の実施形態に従う、多層セラミックアセンブリ３００の概略図である。多層セラミックアセンブリ３００は、セラミック基板２２０（図２）として使用され得るセラミック基板を示す。多層セラミックアセンブリ３００は、回路の必要性に応じて、任意の層の数および配設を含んでもよいため、図３に示される特定の層の数および配設は、例示に過ぎないことが理解されよう。多層セラミックアセンブリ３００は、多層セラミック構造３１０を含む。
【００１８】
１つ以上の導電性層３２０は、多層セラミック構造３１０上に配置される。２つの導電性層３２０が示されるが、複数のセラミックアセンブリ３００は、１つのみの導電性層３２０を含んでもよいか、または３つ以上の導電性層３２０を含んでもよいことが理解されよう。一部の実施形態において、導電性層（複数を含む）３２０は、タングステン、銅、銀、および他の金属などの導電性材料を含んでもよい。
【００１９】
一部の実施形態において、１つ以上のニッケル層３３０が、導電性層（複数を含む）３２０上に配置されてもよく、１つ以上の金層３４０が、ニッケル層（複数を含む）３３０上に配置されてもよい。一部の実施形態において、ニッケル層（複数を含む）３３０は、多層セラミック構造３１０を保護するのに役立ち得る。一部の実施形態において、上で述べられるように、ニッケル層（複数を含む）３３０は、金層（複数を含む）３４０のための機械的基材として機能することができる。
【００２０】
多層セラミックアセンブリ３００の信頼性および寿命は、金層（複数を含む）３４０の厚さを制限することによって改善することができることが見出されている。一部の例において、信頼性および寿命は、金層（複数を含む）３４０の厚さおよび／またはニッケル層（複数を含む）３３０の厚さを特定の範囲内に制限することによって改善することができる。例えば、場合によっては、多層セラミックアセンブリは、約１．５ミクロン〜約９ミクロンの範囲の厚さを有するニッケル層を有してもよいが、性能は、約５ミクロン〜約１２ミクロンの範囲の厚さのニッケル層（複数を含む）３３０を使用することによって改善されることが見出されている。一部の実施形態において、ニッケル層（複数を含む）の厚さをこの範囲に制限することは、ワイヤ結合中の改善された製造歩留を提供する。
【００２１】
場合によっては、例えば、多層セラミックアセンブリは、約１．３ミクロン〜約８ミクロンの厚さを有する金層を有してもよいが、性能は、金層（複数を含む）３４０の厚さを約０．５ミクロン未満に制限することによって改善されることが見出されている。一部の実施形態において、約１ミクロン超の金層の厚さを使用することと比較して、約０．０１ミクロン〜約０．５ミクロンの範囲の金層厚さは、改善された信頼性および寿命を提供することが見出されている。金層（複数を含む）３４０の厚さを低減することは、金属間化合物の形成を低減する、または排除さえすることが見出されている。一部の実施形態において、０．５ミクロン未満の金層３４０の厚さは、約５ミクロン〜約１２ミクロンの範囲の下部ニッケル層３３０の厚さと組み合わせて、改善された製造歩留を提供する。種々の実装において、本明細書において説明される電子アセンブリ（例えば、約０．５ミクロン未満の厚さを有する金めっき層（複数を含む）を有するＭＣＭ）は、−４０℃〜＋２１５℃の間の２０００時間の反復熱サイクル後、完全な電気および／または機械的機能性を維持することができる。
【００２２】
本開示の範囲から逸脱することなく、記載した例示的な実施形態およびそれらの種々の特性について、種々の修正、追加、および組み合わせを行うことができる。例えば、上で説明した実施形態は、特定の特性に言及するが、本開示の範囲は、特性の異なる組み合わせを有する実施形態、および上で説明した特性の全ては含まない実施形態をも含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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