固體線陣電子模塊熱工況試驗研究

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，使用過程中發生海洋環境污染的風險大，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化，以免散熱不足影響固體拖線陣的工作穩定性。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化措施，并對優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

對工作狀態的各電路板進行初步測試，結果如下：（1）熱成像儀在室溫環境下測試節點，溫度高過50℃的芯片為PHY、CPU、FPGA、LDO；（2）熱成像儀在室溫環境下測試電源模塊，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點與電源模塊，而電源模塊芯片的工作溫度范圍遠高于節點芯片，因此認為節點模塊的風險最大，接下來主要對節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。可見，電子模塊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，對采集傳輸節點灌注凝膠，模擬粗陣內實際狀態，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℃）環境下開展了測試，結果如圖2所示。

圖2 節點在凝膠內22℃溫度下散熱測試

測試數據顯示，節點在工作約3.5 h后，PHY和FPGA芯片表面溫度已經約100℃，繼續工作約1.5 h后，節點傳輸發生丟包現象。由此說明節點在凝膠環境下已經無法正常工作，需要開展散熱優化。

2 散熱優化與驗證

根據固體陣電子模塊散熱形式，采用以下優化措施：

（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

對比測試了節點模塊不灌注導熱膠和灌注導熱膠兩種狀態下在空氣中（室溫25.1℃）工作的散熱情況，結果如圖3所示。結果表明節點中發熱量最大的芯片為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))的節點挪至溫箱（室溫50℃）中進行測試，LDO芯片表面溫度穩定在67.5℃，外殼溫度穩定在62.3℃。

2.2 散熱骨架效果評估

用節點灌注導熱膠(導熱系數5.6 W/(m·K))溫箱50℃的測試數據進行節點熱力學仿真的參數設置修正，建模得到節點的熱力學模型，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 節點熱力學模型

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

2.3 優化后實測驗證

2.3.1 測試說明

電子模塊工作狀態如下。

（1）粗陣千兆傳輸節點用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象。

（2）細陣百兆傳輸節點用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

狀態1：電子模塊常溫空氣中進行長時間加電測試。

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

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

狀態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下室溫空氣中進行長時間加電測試。

狀態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下溫箱50℃環境下進行長時間加電測試。

2.3.3 粗陣節點模塊（千兆）測試結果

（1）節點模塊室溫（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 粗陣節點模塊狀態1熱工況

（2）節點先在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℃）狀態下，工作約12 h后，測試結果如表5所示。

圖5 粗陣節點安裝散熱骨架示意圖

表5 粗陣節點模塊狀態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點模塊，在溫箱（50℃）狀態下，工作約7 h后，測試結果如表6所示。

表6 粗陣節點模塊狀態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℃）狀態下，工作約12 h后，測試結果如表7。

表7 粗陣節點模塊狀態4熱工況

（5）節點模塊灌注導熱膠(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點

圖7 粗陣節點灌注導熱膠裝散熱骨架充凝膠50℃環境下溫度變化曲線

從測試數據看，模塊在溫箱（50℃）環境下，趨于熱平衡時溫度如表8所示。

表8 粗陣節點模塊狀態5熱工況

對比以上各狀態測試結果如表9所示。由結果可知，粗陣節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 粗陣節點各狀態下熱平衡后芯片溫度

2.3.4 細陣節點模塊（百兆）測試結果

細陣節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點

對細陣節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 細陣節點各狀態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。