工业应用 | 热数字孪生体的建立和应用

自从1988年诞生了第一款电子散热仿真软件FloTHERM，电子热设计和电子散热仿真就像一对共生体，一直互相依存。电子散热仿真软件，通常把电子散热仿真的分为四个等级，即芯片级，板级，系统级，环境级。我猜想最早这样划分的原因，可能是因为软件希望可以在整个电子散热的生态链的不同企业中，都能找到相应的定位和应用。实际上，如果从物理角度去分析，这么划分也是有一定道理的。对于芯片级别，主要传热方式是传导；而对于板级，传导依然是主要的，不同的是板级上可能存在很多个电子元件，也就是多热源。而到了系统级和环境级，会把对流作为主要的研究对象。

实际工业应用中，热模型被广泛使用，也同时产生了很多概念。芯片的热模型沿用热阻的概念，通常去定义一个结壳热阻Rthjc，通过测量壳温来评估结温。结壳热模型有很大的局限性，为了实现高精度模拟，仿真软件中，常用双热阻模型、DELPHI模型甚至芯片的详细几何模型。

双热阻模型可以用于粗略的计算，预测的结温和进入板子的热流误差大约为 30%，精度最低。详细模型的精度可以做得很高，但是涉及研发的机密信息，除非双方签署NDA，一般情况下，供应商不会提供。而且详细模型标定复杂，实际仿真的时间也较长。

DELPHI 方法是一种公开的方法，这种方法一直处于JEDEC JC51 协会的标准指导下（JEDEC协会主要是进行定义标准测试和仿真模型等工作）。DELPHI 模型有几个热阻所组成，这些热阻链接了结点（Die）和几个表面节点。同时也允许表面结点之间存在热阻。按照图式一个 DELPHI 简化模型看上去就如下图（一个引线封装的例子）。

图一 DELPHI 简化模型结

（来自Mentor公开宣传资料）

DELPHI模型误差大概小于10%，相对双热阻模型精度有很大提高，但是DELPHI不能模拟局部热点，也不能模拟瞬态仿真。

图二各种热模型的对比

（来自Rohm公开报告， 18年Mentor用户大会）

对应DELPHI模型的不足，局部热点问题，通过在DELPHI模型中添加一个节点来模拟（罗姆原创的技术）。

图三局部热点处理

（来自Rohm公开报告， 18年Mentor用户大会）

在工业4.0的大背景下的电子散热仿真的主要任务，应该是建立电子设备的热数字孪生体（尽管“热数字孪生体”这个概念是刚刚出现的），而热数字孪生体也可以按照电子设备的四个等级来进行相应的分类。这里要强调的是，所谓的热数字孪生体，不仅要求模型和物体在稳态状况下，其物理属性、物理量及相关参数保持一致，更需要的是，在瞬态状况下，其物理属性、物理量及相关参数的变化也要保持一致。

如果在热模型的各个Node上，追加相应的热容信息，那么热模型使用过程中，由于添加了热容信息，可以模拟温度的变化过程，从而在一定程度上实现瞬态仿真。

图四瞬态仿真模拟

（来自Rohm公开报告， 18年Mentor用户大会）

使用热模型来指导热设计还有一个重要的前提，就是BCI——边界条件无关性。详细模型尝试去描述或重建一个封装的物理模型。因此，详细的模型总是和实际的几何封装很类似。可以认为详细模型是与边界条件无关的；也就是说，如果相关物性参数都已知并完全正确，不管它所处的仿真环境如何变化，详细模型总可以精确预测封装内部不同单元（结，外壳和引脚）的温度。

DELPHI一定程度上是元件在不同边界条件下响应的一种抽取。主要目的是精确的预测封装少数几个部分的温度，例如结，外壳和引脚等等。这就需要通过后期的验证，来实现DELPHI模型的BCI。

芯片级，板级的热数字孪生体主要的研究对象是材料及材料之间的热传导。而在系统级和环境级的仿真中，传导已经不是传热的主要因素，数字模型的复杂程度几何级别的增长，如果要建立高精度的仿真模型（热数字孪生体），必须结合瞬态热测试技术（热测试技术也可以用来建立芯片级和板级的热数字孪生体，详细请参考公众号中有关热测试的相关专题中的文章）。通过仿真的结构函数和测试的结构函数拟合，从而得到准确的系统物理参数，建立系统级和环境级的热数字孪生体（热模型Calibration技术提高IGBT热仿真精度）。

图五双面散热IGBT的热数字孪生建立

热数字孪生体的仿真误差控制在2-3度以内，为热设计的虚拟化创造了有利的条件。整个设计流程中，仿真工作在设计的早期乃至研发的整个过程中，一直驱动整个方案的设计，即使没有原型机，也可以精确预测产品的温度分布，从而缩短研发周期，减低研发成本。

图六，Denso的热数字孪生体实现热设计虚拟化

DENSO在09年在产品设计中引入仿真，刚开始的时候，仿真工作量非常少，一年以后，仿真和实验各占50%，从10年到15年，花了整整五年的时间去实现设计虚拟化，这时，仿真的工作占比已经高达90%。

在设计过程中，DENSO不断建立并应用热数字孪生体。可以看出，虽然热数字孪生体价值巨大，但是建立过程也是相当困难的。对于系统级和环境级的热数字孪生体，传热因素复杂，定义并标准化这些物理效应，是需要通过大量的基础工作才能实现的。

个人观点，热数字孪生体本质还是知识管理，通过建立热数字孪生体，把研发实践中的知识，封装在热数字孪生体内，从而可以达到知识挖掘，存储，流传，重用等目的，并不断产生新的知识，实现企业智力资产的积累良性循环，逐步形成企业自身的核心竞争力。

热数字孪生体的巨大价值体现基础应该是电子设备的整个生态系统。

自然界的生态定义为：生物在一定的自然环境下的共存和发展的状态。按照这个思路理解，热数字孪生体的生态就是在企业环境下，各种热数字孪生体应用的协作共存和发展的状态。

图七汽车电子的生态系统

以汽车电子的生态为例，从汽车芯片到整车厂，整个生态系统下的企业在竞争中实现一定程度的知识共享，在彼此合作中良性竞争。如果热数字孪生体能在生态系统中得到流转和发展，逐步形成范围内的行业标准甚至全球的行业标准，不但可以推动整个行业技术的快速迭代，而且还可以节约大量的社会资源。

汽车电子只是一个小生态。电子产品的共性，使得从汽车电子的小生态，到整个电子产品的大生态，同样可以共生和发展热数字孪生体技术，甚至会形成整个行业可以共享的知识和数据库，在未来的产品研发中，发挥巨大的作用。