自從1988年誕生了第一款電子散熱仿真軟件FloTHERM，電子熱設(shè)計(jì)和電子散熱仿真就像一對共生體，一直互相依存。電子散熱仿真軟件，通常把電子散熱仿真的分為四個等級，即芯片級，板級，系統(tǒng)級，環(huán)境級。我猜想最早這樣劃分的原因，可能是因?yàn)檐浖Ｍ梢栽谡麄€電子散熱的生態(tài)鏈的不同企業(yè)中，都能找到相應(yīng)的定位和應(yīng)用。實(shí)際上，如果從物理角度去分析，這么劃分也是有一定道理的。對于芯片級別，主要傳熱方式是傳導(dǎo)；而對于板級，傳導(dǎo)依然是主要的，不同的是板級上可能存在很多個電子元件，也就是多熱源。而到了系統(tǒng)級和環(huán)境級，會把對流作為主要的研究對象。
01
實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，熱模型被廣泛使用，也同時產(chǎn)生了很多概念。芯片的熱模型沿用熱阻的概念，通常去定義一個結(jié)殼熱阻Rthjc，通過測量殼溫來評估結(jié)溫。結(jié)殼熱模型有很大的局限性，為了實(shí)現(xiàn)高精度模擬，仿真軟件中，常用雙熱阻模型、DELPHI模型甚至芯片的詳細(xì)幾何模型。
雙熱阻模型可以用于粗略的計(jì)算，預(yù)測的結(jié)溫和進(jìn)入板子的熱流誤差大約為30%，精度最低。詳細(xì)模型的精度可以做得很高，但是涉及研發(fā)的機(jī)密信息，除非雙方簽署NDA，一般情況下，供應(yīng)商不會提供。而且詳細(xì)模型標(biāo)定復(fù)雜，實(shí)際仿真的時間也較長。
DELPHI方法是一種公開的方法，這種方法一直處于JEDEC JC51協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下（JEDEC協(xié)會主要是進(jìn)行定義標(biāo)準(zhǔn)測試和仿真模型等工作）。DELPHI模型有幾個熱阻所組成，這些熱阻鏈接了結(jié)點(diǎn)（Die）和幾個表面節(jié)點(diǎn)。同時也允許表面結(jié)點(diǎn)之間存在熱阻。按照圖式一個DELPHI簡化模型看上去就如下圖（一個引線封裝的例子）。
圖一DELPHI簡化模型結(jié)
（來自Mentor公開宣傳資料）
DELPHI模型誤差大概小于10%，相對雙熱阻模型精度有很大提高，但是DELPHI不能模擬局部熱點(diǎn)，也不能模擬瞬態(tài)仿真。
圖二各種熱模型的對比
（來自Rohm公開報(bào)告，18年Mentor用戶大會）
對應(yīng)DELPHI模型的不足，局部熱點(diǎn)問題，通過在DELPHI模型中添加一個節(jié)點(diǎn)來模擬（羅姆原創(chuàng)的技術(shù)）。
圖三局部熱點(diǎn)處理
（來自Rohm公開報(bào)告，18年Mentor用戶大會）
在工業(yè)4.0的大背景下的電子散熱仿真的主要任務(wù)，應(yīng)該是建立電子設(shè)備的熱數(shù)字孿生體（盡管“熱數(shù)字孿生體”這個概念是剛剛出現(xiàn)的），而熱數(shù)字孿生體也可以按照電子設(shè)備的四個等級來進(jìn)行相應(yīng)的分類。這里要強(qiáng)調(diào)的是，所謂的熱數(shù)字孿生體，不僅要求模型和物體在穩(wěn)態(tài)狀況下，其物理屬性、物理量及相關(guān)參數(shù)保持一致，更需要的是，在瞬態(tài)狀況下，其物理屬性、物理量及相關(guān)參數(shù)的變化也要保持一致。
如果在熱模型的各個Node上，追加相應(yīng)的熱容信息，那么熱模型使用過程中，由于添加了熱容信息，可以模擬溫度的變化過程，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)仿真。
圖四瞬態(tài)仿真模擬
（來自Rohm公開報(bào)告，18年Mentor用戶大會）
使用熱模型來指導(dǎo)熱設(shè)計(jì)還有一個重要的前提，就是BCI——邊界條件無關(guān)性。詳細(xì)模型嘗試去描述或重建一個封裝的物理模型。因此，詳細(xì)的模型總是和實(shí)際的幾何封裝很類似?？梢哉J(rèn)為詳細(xì)模型是與邊界條件無關(guān)的；也就是說，如果相關(guān)物性參數(shù)都已知并完全正確，不管它所處的仿真環(huán)境如何變化，詳細(xì)模型總可以精確預(yù)測封裝內(nèi)部不同單元（結(jié)，外殼和引腳）的溫度。
DELPHI一定程度上是元件在不同邊界條件下響應(yīng)的一種抽取。主要目的是精確的預(yù)測封裝少數(shù)幾個部分的溫度，例如結(jié)，外殼和引腳等等。這就需要通過后期的驗(yàn)證，來實(shí)現(xiàn)DELPHI模型的BCI。
02
芯片級，板級的熱數(shù)字孿生體主要的研究對象是材料及材料之間的熱傳導(dǎo)。而在系統(tǒng)級和環(huán)境級的仿真中，傳導(dǎo)已經(jīng)不是傳熱的主要因素，數(shù)字模型的復(fù)雜程度幾何級別的增長，如果要建立高精度的仿真模型（熱數(shù)字孿生體），必須結(jié)合瞬態(tài)熱測試技術(shù)（熱測試技術(shù)也可以用來建立芯片級和板級的熱數(shù)字孿生體，詳細(xì)請參考公眾號中有關(guān)熱測試的相關(guān)專題中的文章）。通過仿真的結(jié)構(gòu)函數(shù)和測試的結(jié)構(gòu)函數(shù)擬合，從而得到準(zhǔn)確的系統(tǒng)物理參數(shù)，建立系統(tǒng)級和環(huán)境級的熱數(shù)字孿生體（熱模型Calibration技術(shù)提高IGBT熱仿真精度）。
圖五雙面散熱IGBT的熱數(shù)字孿生建立
熱數(shù)字孿生體的仿真誤差控制在2-3度以內(nèi)，為熱設(shè)計(jì)的虛擬化創(chuàng)造了有利的條件。整個設(shè)計(jì)流程中，仿真工作在設(shè)計(jì)的早期乃至研發(fā)的整個過程中，一直驅(qū)動整個方案的設(shè)計(jì)，即使沒有原型機(jī)，也可以精確預(yù)測產(chǎn)品的溫度分布，從而縮短研發(fā)周期，減低研發(fā)成本。
圖六，Denso的熱數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)虛擬化
DENSO在09年在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入仿真，剛開始的時候，仿真工作量非常少，一年以后，仿真和實(shí)驗(yàn)各占50%，從10年到15年，花了整整五年的時間去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)虛擬化，這時，仿真的工作占比已經(jīng)高達(dá)90%。
在設(shè)計(jì)過程中，DENSO不斷建立并應(yīng)用熱數(shù)字孿生體?？梢钥闯觯m然熱數(shù)字孿生體價(jià)值巨大，但是建立過程也是相當(dāng)困難的。對于系統(tǒng)級和環(huán)境級的熱數(shù)字孿生體，傳熱因素復(fù)雜，定義并標(biāo)準(zhǔn)化這些物理效應(yīng)，是需要通過大量的基礎(chǔ)工作才能實(shí)現(xiàn)的。
個人觀點(diǎn)，熱數(shù)字孿生體本質(zhì)還是知識管理，通過建立熱數(shù)字孿生體，把研發(fā)實(shí)踐中的知識，封裝在熱數(shù)字孿生體內(nèi)，從而可以達(dá)到知識挖掘，存儲，流傳，重用等目的，并不斷產(chǎn)生新的知識，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智力資產(chǎn)的積累良性循環(huán)，逐步形成企業(yè)自身的核心競爭力。
03
熱數(shù)字孿生體的巨大價(jià)值體現(xiàn)基礎(chǔ)應(yīng)該是電子設(shè)備的整個生態(tài)系統(tǒng)。
自然界的生態(tài)定義為：生物在一定的自然環(huán)境下的共存和發(fā)展的狀態(tài)。按照這個思路理解，熱數(shù)字孿生體的生態(tài)就是在企業(yè)環(huán)境下，各種熱數(shù)字孿生體應(yīng)用的協(xié)作共存和發(fā)展的狀態(tài)。
圖七汽車電子的生態(tài)系統(tǒng)
以汽車電子的生態(tài)為例，從汽車芯片到整車廠，整個生態(tài)系統(tǒng)下的企業(yè)在競爭中實(shí)現(xiàn)一定程度的知識共享，在彼此合作中良性競爭。如果熱數(shù)字孿生體能在生態(tài)系統(tǒng)中得到流轉(zhuǎn)和發(fā)展，逐步形成范圍內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)甚至全球的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不但可以推動整個行業(yè)技術(shù)的快速迭代，而且還可以節(jié)約大量的社會資源。
汽車電子只是一個小生態(tài)。電子產(chǎn)品的共性，使得從汽車電子的小生態(tài)，到整個電子產(chǎn)品的大生態(tài)，同樣可以共生和發(fā)展熱數(shù)字孿生體技術(shù)，甚至?xí)纬烧麄€行業(yè)可以共享的知識和數(shù)據(jù)庫，在未來的產(chǎn)品研發(fā)中，發(fā)揮巨大的作用。
