电子热设计的关键技术——“热数字孪生体”

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电子技术的发展史也是一部电子散热技术的发展史，长久以来，电子器件的热问题一直伴随电子产品。如果电子产品的热设计存在隐患，势必会影响到产品的性能和寿命。尽管器件功耗的发展方向是越来越低，而电子器件和电子设备的物理尺寸趋向于小型、微型化的趋势，使得器件周围的热流密度却在越来越高。

查遍了中国所有的大学，没有发现命名为“电子散热”或者相关的专业，电子散热是一个交叉学科，涉及到材料，机械结构，电学，流体力学，传热学等等，实际上，从事电子散热工作的工程师大部分都是通过后来的学习和实践，去获得支撑电子散热技术所需要的知识。

一开始，相比于电子产品的其他指标，电子散热并不是非常的重要，通常是工程师完成产品的功能设计后，再去测试电子产品的热是否遇到问题，而如果遇到问题的话，可以通过升级散热方式解决散热的问题，从而得到符合设计要求的产品。

当然这种设计思路存在先天性的风险。如果通过升级散热方式而解决热问题的成本过高，或者压根解决不了热问题，那么设计就回到了原点，整个方案要推倒重来。而随着产品功率密度越来越高，这种潜在风险就变成了不能不面对的关键问题。

合理的设计思路当然是热电联合设计，在产品研发的开始阶段，就融入仿真技术，用软件去试错，大大降低的未来的设计风险。而用软件去试错，必然会对仿真的精度提出了很高的要求。

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如果作为一个专业，电子散热其实回答了三个和热相关的根本性问题：

• 是否有热问题

• 热问题在哪里

• 如何解决热问题

图一 电子散热

回答第一个问题，最直接的办法就是测一下实际的温度。而温度测量有两个要点，第一、温度是无法直接测量的物理量，目前所有测量温度的方法都是转移测量法，找到温度和某个可测物理量之间的对应关系，通过测量这个可测物理量，然后换算成温度；第二，在整个系统未达到热平衡的状态时，系统内的被测物体的温度是会一直变化的，而这种变化又是连续的。

有了温度测量结果，进一步就需要分析热问题，找到散热瓶颈，便是对第二个问题的回答。基于温度测量的两个要点，不同的测量方法，其分析方法也不一样。

最后就是如何解决问题，基于实物样品的试错去解决这个问题，无论是成本上还是时间上都无法保证。所以，如果研发的产品完全是基于正向设计，热仿真的应用几乎是必须的技术手段。

早期的温度的测量手段是用热电偶，大概是1995年之前，热电偶测量值是一个点的温度值，在物理上很难描述和定义，当然也就无法知道芯片的结温是多少。95年以后，电气法被广泛应用，利用半导体结电压和温度的响应曲线，可以测量结温，但由于测量结电压必须要在感应电流下测量，加热电流必须断开，所以测得的温度值实际上是断电以后某一个时间点的温度值。

对应这两种测量方式，目前尚没有对应的模型去做热结构分析，只能是定性的知道，是否有热问题。

2010年，结构函数被正式认定，用双界面法去分析系统的热结构，12年以后逐步应用到瞬态热测试领域。但是结构函数也只能做模糊的结构分析，结构函数可以理解为从结到环境的一维散热路径，用一维的曲线去描述三维热结构，当然是无法到达预期的精确结果。

数字孪生技术的崛起及实践，给热设计带来新的思路，2016年以后，结合测试和仿真的热数字孪生体技术逐步成为解决热设计难题的重要手段。

图二 热测试/热分析 技术背景

瞬态热测试是测试系统热本征特性的方法，无法对系统实时进行实时温度测量，而仿真受到边界条件等输入因素限制，如果不经过很长时间的打磨，仿真的结果的精确性和可应用性也存在先天不足。结合测试和仿真技术的热数字孪生体，不仅仅在稳态的时候和测试的结果保持一致，而且瞬态的结果也同样可以保持很好的一致性，这就给我们产品的虚拟研发创造了非常有利的条件。

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对电子散热的仿真软件，主要是流体仿真软件为主，可以仿真传导，对流，辐射及相变传热的等物理现场。这些软件经过几十年的发展，基本上性能也趋于稳定。尽管对曲面的分析功能是FloTHERM致命的缺陷，但视乎并没有影响到FloTHERM在电子散热领域的霸主地位。近几年FloEFD，IcePAK等软件，在电子散热领域应用也越来越多，也是因为每个软件都有其独特的优点，也存在一定的不足。而对于一个熟练使用热仿真软件的工程师，通常这几款软件都用，我想主要原因也是这几款软件，都是基于有限体积法的计算流体力学软件，根本上没有本质的差别。国内的研发现状，这些软件在实际应用过程中，大部分还是在做趋势性的指导，能够利用软件做虚拟设计的，少之又少。

原因很简单，热数字孪生体，并没有被建立，也就是说并没有把测试和仿真有机的结合。而没有很好结合的原因，还是因为热测试技术不能满足实际应用的要求，或者是即使得到一些精确的可重复的热测试结果，也没有很好的和仿真技术相结合。

前段时间走访了一些老朋友，老客户，发现很多企业都有用瞬态热测试技术去测量结构函数能力，但是对瞬态热测试的测试数据如何理解和应用，却是现在大部分企业的短板。花了高额的费用，购买了昂贵的设备，只发挥了设备的15-20%的功能。

现在企业的应用现状是，大部分企业购买设备的应用，主要是用来测一下产品的热阻，或者再测一个功率循环。可以得到一些结果的数值，却不能对这些数值进行深刻的理解，也就无法构建真正的热数字孪生体。

热阻，1W的热量引起的温升，这个概念被工业界广泛应用。热阻被测试，也被业界认为是物体的固有属性。实际情况，工程师一旦测出某热阻值，便会在实际工业应用中多次重复使用，却忽略掉了应用这个概念的限制条件。

如果深入思考这个问题，我们应该知道，对于一个材料而言，真正不会变化的是热导率（这里先忽略因为温度而导致的材料热导率的变化），而热阻和材料的厚度及面积有关系，对于一个单一方向的热传导，我们可以认为热阻不会变化，而对于个三维空间的传热，在不同的功率下，某两点之间热阻确确实实是发生了变化，因为在不同功率下，物体的散热路径会发生变化。

如果用一维曲线去描述系统的散热路径，应该有一个前提，就是通过这个路径上功率的百分比不会变（假定这个功率是可以测量的），而当系统功率发生变化时，整个温度云图就会改变，导致路径上功率的百分比也会发生变化。

图三 不同功率下器件的温度云图变化示意图

如上图所示，当功率比较低时，芯片相对环境的温度梯度相对较低，实际散热是三维的，如果假设有总归有上下两个散热方向，那么向上的功率可能是10%，而向下的功率比率可能是90%（假定值），而当功率变大时，向上的功率由于温度梯度升高，百分比可能会增大。从而会导致系统的散热路径及功率分配发生了变化。

JESD51-14的标准，提供了双界面法，用来测量器件的结壳热阻，实际测试过程中，会发现在不同的功率下，结构函数的分离点的位置会发生变化，这种现象在功率器件横向面积比较大的时候，经常会发生，而对于双面散热的器件，甚至会得不到理想的结果。

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对于热测试数据产生重大影响的，还有一个非常重要的因素要考虑，那就是测试环境。

因为热传递是三维的，如何保证测试环境一致性，是测试数据可比性，可分析性的关键，而这方面主要通过夹具设计来满足测试条件的要求。

我们的实际经验告诉我们一个重要的事实，理论上说所有器件的夹具都需要定制。

图四 某IGBT的定制夹具

夹具作为测试环境中的一部分，即是器件的导电路径，也是器件的散热路径。对于测试环境的稳定性，可比性起到至关重要的作用。

电子热测试夹具设计的基本原则：

• 满足使用过程中电子器件定位的稳定性和可靠性；

• 有足够的承载，密封或夹持力度以保证器件在测试环境上进行的全部的测试过程；

• 满足装夹过程中的简单与快速操作，保证测试的高效性；

• 易损零件或者必须是可以快速更换的结构，条件充分时最好不需要使用其它工具进行；

• 满足夹具在调整或更换过程中重复定位的可靠性。

实际应用过程中，要求设计人员既要理解结构设计的基本原理，也要具备电，热测试等等专业的理论基础。

而随着测试环境的复杂性越来越高，比如高低温，震动，湿度，粉尘，日照等因素或者因素的叠加，夹具设计会变得越来越复杂，而且越来越重要。

写在最后

电子散热作为一个专业方向，演变到现在，构建热数字孪生体成为电子热设计在工业4.0大背景下的必然发展趋势，企业应该从自己的实际应用出发，重视，投入，培养这方面的专业人才。企业导入热数字孪生体的技术的大致路径，可以参考下图：

图五 热数字孪生体技术

而且，这种行为不会是短期的行为，不是购买一个软件或者一个测试设备就能解决的问题。企业应该从自身的实际出发，合理投入，滚动循环，引入外部资源，高效积累自己需要的能力。Denso建立这方面的体系，花了六年的时间，我想中国的企业也必须要付出类似的艰辛，去走出同样的路。