田 雷，劉雨聰，郭 鵬

（杭州應用聲學研究所，杭州 310012）

0 引言

拖曳線列陣聲納與其他種類聲納相比，具有基陣孔徑大、工作頻率低、可通過變深獲得最佳信道等特點，是目前艦艇水下遠程目標警戒和探潛的最主要聲納之一，在海洋石油勘探作業(yè)中也得到普遍的應用。作為拖曳線列陣濕端的主要組成部分，拖線陣的主要功能是實現(xiàn)水聽器陣列信號的接收、放大、濾波等前級調理，聲通道信號的同步采集和非聲傳感器數據的接收、本地整理及遠程傳輸，因此陣內布置有相關的電子模塊。根據陣段內部填充介質的不同，拖線陣可以分為液體陣和固體陣。液體拖線陣機械強度低，抗蠕變性能差，使用過程中發(fā)生海洋環(huán)境污染的風險大，因此，當前拖線陣的研究方向開始轉向固體填充的拖線陣。固體拖線陣具有更高的機械強度，良好的抗蠕變性能，可以在拖線陣全壽命期內保持圓截面特性，可靠性高，并具有抑制拖線陣中呼吸波和膨脹波、降低拖線陣流噪聲的固有優(yōu)勢[1]。但是，固體填充介質的導熱系數較低，給陣內電子模塊的散熱帶來了一定的影響，需要對此進行研究和優(yōu)化，以免散熱不足影響固體拖線陣的工作穩(wěn)定性。本文主要采用試驗研究的方法，對固體拖線陣內各類電子模塊的熱工況進行測試分析，根據測試結果對相關電子模塊提出了針對性的散熱優(yōu)化措施，并對優(yōu)化措施的效果進行了測試驗證[2]。

1 電子模塊散熱分析

1.1 電子模塊功耗

拖線陣電子模塊一般包括傳輸節(jié)點、電源模塊、前置模塊、光電轉換模塊、航向傳感器、壓力傳感器等。本文以粗、細兩種固體拖線陣內電子模塊作為研究對象，粗、細陣之間區(qū)別如表1所示，各電子模塊功耗如表2所示。

表1 粗、細固體陣內電子模塊對比

表2 模塊工作電壓及功耗

1.2 初步測試分析

對工作狀態(tài)的各電路板進行初步測試，結果如下：（1）熱成像儀在室溫環(huán)境下測試節(jié)點，溫度高過50℃的芯片為PHY、CPU、FPGA、LDO；（2）熱成像儀在室溫環(huán)境下測試電源模塊，溫度高過50℃的芯片為SCM1703、SCT2321；（3）熱成像儀在室溫環(huán)境下測試前置模塊，溫度最高芯片約28℃；（4）溫度探頭在室溫環(huán)境下測試航向傳感器，溫度最高芯片約33℃；（5）壓力傳感器功耗小，參照前置模塊測試結果，評估室溫下其芯片溫度應該不超過28℃。光電轉換功能模塊功耗約為節(jié)點模塊的一半，評估室溫下其芯片表面溫度應該不超過50℃[3-4]。

根據芯片手冊，各芯片熱特性描述如表3所示。根據測試及分析，熱功耗較大的電子模塊主要為傳輸節(jié)點與電源模塊，而電源模塊芯片的工作溫度范圍遠高于節(jié)點芯片，因此認為節(jié)點模塊的風險最大，接下來主要對節(jié)點模塊進行分析及測試驗證[5-6]。

表3 各芯片特性參數

1.3 固體陣電子模塊散熱形式

拖線陣自身的外形尺寸、密度、最小彎曲半徑、耐壓能力等各方面限制因素綜合作用下，其內部電子模塊的封裝形式一般如圖1所示?？梢姡娮幽K主要與填充介質接觸，通過填充介質向外部散熱。當填充介質為液體時，主要以熱對流的形式散熱，故而散熱效率較高，電子模塊工作穩(wěn)定；而采用固體填充介質（以下簡稱凝膠）后，只能以熱傳導的形式散熱，由于凝膠導熱系數較低(0.148 W/(m·K))，導致電子模塊散熱效率低，易發(fā)生過熱[7-9]。

圖1 拖線陣電子模塊封裝形式

為進一步了解電子模塊在凝膠內的熱工況，對采集傳輸節(jié)點灌注凝膠，模擬粗陣內實際狀態(tài)，電路板上下凝膠厚度約35 mm（粗陣直徑85 mm，外護套厚度5 mm），在室溫（22℃）環(huán)境下開展了測試，結果如圖2所示。

圖2 節(jié)點在凝膠內22℃溫度下散熱測試

測試數據顯示，節(jié)點在工作約3.5 h后，PHY和FPGA芯片表面溫度已經約100℃，繼續(xù)工作約1.5 h后，節(jié)點傳輸發(fā)生丟包現(xiàn)象。由此說明節(jié)點在凝膠環(huán)境下已經無法正常工作，需要開展散熱優(yōu)化。

2 散熱優(yōu)化與驗證

根據固體陣電子模塊散熱形式，采用以下優(yōu)化措施：

（1）采用導熱系數更高的膠（導熱膠加強芯片與外殼之間的熱量傳遞。導熱膠的導熱系數（初期樣品導熱系數1.2 W/mK，經改進達到2 W/mK）高于凝膠，但其密度也較高，大量使用會導致拖線陣密度過高，因此只用于電路板與外殼之間。

（2）改善支撐骨架設計使散熱面積更大，加強散熱效果。為兼顧結構強度、散熱能力、重量和維修便利性等各方面要求，采用鋁合金(6061合金，導熱系數115 W/(m·K))形式的鏤空骨架作為電子模塊的支撐骨架，增大散熱面積，搭建由電子模塊外殼到拖線陣外護套的散熱通道。

優(yōu)化后，固體陣電子模塊的散熱通道由“芯片→凝膠→外殼→凝膠→外護套”改進為“芯片→導熱膠→外殼→散熱骨架→外護套”，預計可以有效減小凝膠對電子模塊散熱的的影響。

2.1 導熱膠效果評估

對比測試了節(jié)點模塊不灌注導熱膠和灌注導熱膠兩種狀態(tài)下在空氣中（室溫25.1℃）工作的散熱情況，結果如圖3所示。結果表明節(jié)點中發(fā)熱量最大的芯片為LDO（空氣中62℃），外殼溫度38.7℃。填充導熱系數較高(導熱系數5.6 W/(m·K))的導熱膠后，LDO芯片溫度降至47℃，外殼溫度41.2℃。說明灌注導熱膠后，一部分熱量傳導至外殼，并通過外殼散到空氣中。

圖3 節(jié)點充導熱膠與空殼時各芯片溫度

將充導熱膠(導熱系數5.6 W/(m·K))的節(jié)點挪至溫箱（室溫50℃）中進行測試，LDO芯片表面溫度穩(wěn)定在67.5℃，外殼溫度穩(wěn)定在62.3℃。

2.2 散熱骨架效果評估

用節(jié)點灌注導熱膠(導熱系數5.6 W/(m·K))溫箱50℃的測試數據進行節(jié)點熱力學仿真的參數設置修正，建模得到節(jié)點的熱力學模型，如圖4所示。根據實際情況，將導熱膠系數修改為1.2 W/(m·K)。根據仿真結果，節(jié)點灌導熱膠(導熱系數1.2 W/(m·K))并充凝膠穿護套，LDO表面溫度達71.778℃。添加散熱骨架后，LDO芯片表面溫度降至68.539℃，有一部分熱量通過散熱骨架傳導至護套并散熱至環(huán)境中。該仿真結果表明散熱骨架對于芯片散熱有一定效果[10]。

圖4 節(jié)點熱力學模型

將散熱骨架拉長對整個節(jié)點包裹進行仿真，根據仿真結果LDO芯片表面溫度可控制在57℃內。

2.3 優(yōu)化后實測驗證

2.3.1 測試說明

電子模塊工作狀態(tài)如下。

（1）粗陣千兆傳輸節(jié)點用7 V單電源供電，采用千兆模式（約530 M數據量）進行數據傳輸，用PC機觀察是否有丟包現(xiàn)象。

（2）細陣百兆傳輸節(jié)點用7 V單電源供電，約90 M數據量進行數據傳輸，用PC機觀察是否有丟包現(xiàn)象。

（3）電源模塊用電子負載器模擬陣內實際最大負載約0.6 A，進行長時間加電測試。

2.3.2 測試狀態(tài)

狀態(tài)1：電子模塊常溫空氣中進行長時間加電測試。

狀態(tài)2：電子模塊灌注導熱膠安裝外殼散熱骨架狀態(tài)下室溫空氣中進行長時間加電測試。

狀態(tài)3：電子模塊灌注導熱膠安裝外殼散熱骨架狀態(tài)下溫箱50℃環(huán)境下進行長時間加電測試。

狀態(tài)4：電子模塊灌注導熱膠安裝外殼散熱骨架，并裝護套充凝膠狀態(tài)下室溫空氣中進行長時間加電測試。

狀態(tài)5：電子模塊灌注導熱膠安裝外殼散熱骨架，并裝護套充凝膠狀態(tài)下溫箱50℃環(huán)境下進行長時間加電測試。

2.3.3 粗陣節(jié)點模塊（千兆）測試結果

（1）節(jié)點模塊室溫（27℃）空氣中未灌導熱膠常溫下工作約12 h后，測試結果如表4所示。

表4 粗陣節(jié)點模塊狀態(tài)1熱工況

（2）節(jié)點先在PHY和CPU芯片表面固定溫度探頭，之后灌導熱膠(導熱系數2.0 W/(m·K))，安裝散熱骨架并在骨架及外殼上安裝溫度探頭，如圖5所示。室溫（30℃）狀態(tài)下，工作約12 h后，測試結果如表5所示。

圖5 粗陣節(jié)點安裝散熱骨架示意圖

表5 粗陣節(jié)點模塊狀態(tài)2熱工況

（3）灌注導熱膠(導熱系數2.0 W/(m·K))并安裝散熱骨架后的節(jié)點模塊，在溫箱（50℃）狀態(tài)下，工作約7 h后，測試結果如表6所示。

表6 粗陣節(jié)點模塊狀態(tài)3熱工況

（4）灌注導熱膠(導熱系數2.0 W/(m·K))并安裝散熱骨架裝護套充凝膠，在室溫（35℃）狀態(tài)下，工作約12 h后，測試結果如表7。

表7 粗陣節(jié)點模塊狀態(tài)4熱工況

（5）節(jié)點模塊灌注導熱膠(導熱系數2.0 W/(m·K))并安裝散熱骨架裝護套充凝膠，如圖6所示，在溫箱（50℃）狀態(tài)下測試，工作約12 h溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 粗陣散熱骨架內的節(jié)點

圖7 粗陣節(jié)點灌注導熱膠裝散熱骨架充凝膠50℃環(huán)境下溫度變化曲線

從測試數據看，模塊在溫箱（50℃）環(huán)境下，趨于熱平衡時溫度如表8所示。

表8 粗陣節(jié)點模塊狀態(tài)5熱工況

對比以上各狀態(tài)測試結果如表9所示。由結果可知，粗陣節(jié)點充凝膠前后芯片表面溫度上升約9℃，采用散熱骨架及導熱膠設計后，其芯片最高溫度不超過75℃，滿足芯片允許工作溫度范圍要求。

表9 粗陣節(jié)點各狀態(tài)下熱平衡后芯片溫度

2.3.4 細陣節(jié)點模塊（百兆）測試結果

細陣節(jié)點模塊裝入散熱骨架并安裝溫度探頭后如圖8所示。

圖8 細陣散熱骨架內的節(jié)點

對細陣節(jié)點采用與用粗陣相同的方式進行測試，裝上散熱骨架灌注導熱膠、充凝膠分別在空氣中和溫箱中對芯片散熱情況進行測試，各狀態(tài)下熱平衡后的測試結果如表10所示。由以上結果可知，細陣節(jié)點充凝膠前后芯片表面溫度只上升2℃，熱量在傳導至外殼后，經散熱骨架導出，凝膠對其散熱的阻礙作用較少，這是由于細陣的凝膠層厚度遠小于粗陣；各芯片最高溫度約67℃，滿足芯片允許工作溫度范圍要求。

表10 細陣節(jié)點各狀態(tài)下熱平衡后芯片溫度

2.3.5 電源模塊測試結果

電源模塊安裝散熱骨架后如圖9所示，50℃環(huán)境下充凝膠前后的外殼溫度變化曲線如圖10所示。由以上結果可知，在溫箱恒溫50℃的條件下，電源模塊在凝膠中趨于熱平衡后，外殼溫度約58℃，按節(jié)點灌導熱系數1.2 W/(m·K)的導熱膠測試結果評估，芯片表面與外殼溫差約20℃，則芯片表面溫度約78℃，遠小于+125℃的工作溫度范圍[11-12]。

圖9 安裝散熱骨架的電源模塊

圖10 電源模塊充凝膠前后外殼溫度變化曲線

2.3.6 航向傳感器測試結果

航向傳感器溫箱測試如圖11所示，溫箱50℃環(huán)境下芯片溫度變化曲線如圖12所示。由圖可知，在溫箱恒溫50℃的條件下，航向傳感器在凝膠中大約4 h后趨于熱平衡，最高溫度在57℃左右趨于穩(wěn)定，遠小于+85℃的工作溫度范圍。

圖11 航向傳感器溫箱測試

圖12 航向傳感器50℃環(huán)境下溫度變化曲線

3 結束語

本文通過對電子模塊在流動性差、導熱系數低的固體填充介質（凝膠）中的熱工況進行研究，得出了固體拖線陣內電子模塊的熱工況惡化的主要原因：在凝膠中電子模塊無法以高效率的熱對流形式散熱，只能以熱傳導的形式向外部環(huán)境散熱；而凝膠的導熱系數過低，使熱傳導的效率極低，起到了保溫層的作用，導致電子模塊的熱量無法及時散出，從而發(fā)生過熱失效。

針對上述原因，提出了固體拖線陣內電子模塊散熱困難問題的解決方案：對于熱功耗較大的電子模塊如傳輸節(jié)點模塊和電源模塊，在滿足拖線陣結構強度和密度要求的前提下，采用導熱系數高的材料（如鋁合金）制作外殼和散熱骨架，并用導熱膠填充電子模塊與外殼的間隙，以增大有效散熱面積，搭建穿透凝膠保溫層的散熱通道。經測試驗證，該方案可使電子模塊最高溫度降低約25℃，保持在安全工作溫度范圍之內。