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热测试技术的进化与数字孪生

今昔CAE随笔

3年前浏览1764

今天早上朋友圈看到一篇文章，引用文章里面的图片。

图片来自冰河传热，Jason大神的文章《请别叫我“热仿真的”》

最早期的研究是理论和测试，学习理论，尝试对实际物理模型建立数学模型并进行估算，再通过测试来验证估算的结果，再做相应的修正来完善数学模型。某种意义说，这也是一种数字孪生——实物模型和数学模型在某种抽象的意义上是一致的。

仿真技术带来了新的研究手段，变成了上图所示的铁三角关系。而这个层面的数字孪生的内涵也丰富了很多。

而理论，测试，仿真技术本身也会沿着自身的脉络不断的演变，并在横向上不断的交互发展。我们可以仔细回顾半导体热测试手段的发展轨迹。

热测试对于电子器件来说是非常重要的研发手段之一，半导体的热测试的变化大体可以分为四个阶段

第一代半导体热测试，主要是通过热电偶或者红外设备，而检测的实际是表面温度。

热电偶的原理是塞贝克效应(Seebeckeffect）。两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，建立热电动势和温度的函数关系，就可以测量温度。

如上图所示，一端是热端，另一端是冷端，保持冷端的温度不变，就可以用热端去测量被测物体的表面温度。

红外测温的原理是普朗克黑体辐射的定律，红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。这种测量的前提一般要设置物体发射率，定义黑体的发射率是1，而绝大部分物体的发射率在0-1之间。

尽管这些测试方式还一直被沿用至今，但是无论热电偶还是红外，只能测量芯片的表面温度。也会有热设计工程师使用CFD软件进行仿真，但是由于芯片表面温度难以准确定义，因此无法用测试数据去评价仿真的结果是否准确，仿真工作更多是对比不同的趋势，关注对各因子的定性分析，从而在一定程度上可以提供设计和改进的方向。

第一代热测试技术结合仿真软件的应用，其数字孪生的价值并没有充分被挖掘出来。

如果想知道芯片的结温，就必须用第二代热测试技术，也叫电气法（ETM）。

根据结电流-电压特性方程，在一定的电流下，可以看出结温和结电压成负线性相关，也就是说，如果知道该元件线性相关的斜率K，只要用测试电流（该测试电流很小，不会引起器件发热）测出结电压，就可以知道结温。这种方式很多半导体企业内部都在用，搭一个测试台架来测试结电压的变化，可以估算并监测芯片的结温。

（参考文章：热测试（一）——ETM法测量结温）

实际上芯片的散热结构是非常复杂的，评估物理温度分布的热欧姆定律是从电欧姆定律转化过来的，但是由于热是三维传播的，使得热欧姆定律在使用过程中有很大的局限性。

而仿真软件的应用也是一维的，一般会用热阻模型，双热阻模型，热阻网络模型等去近似实际物体的散热结构，真是因为热欧姆定律的局限性，使得这个层次的数字孪生体也不能如实的揭示实际的物理特征。

第三代热测试技术，测试系统的一维散热路径（结构函数），可以帮助工程师准确理解各种材料在散热路径上的热贡献。

第三代热测试技术使用JESD51-14的热测试标准，测试系统散热结构的热本征特性，而系统散热结构的热本征特性，和施加在系统的功率，环境温度没有直接的关系。常用的Foster模型和Cauer模型是一维散热路径热阻热容网络模型，通过瞬态热测试，把一个多维的散热空间上一维化，便于热欧姆定律的应用。可以看出构建散热路径上材料，工艺，接触热阻等，对于一维散热路径有很大的影响，我们通过结构函数的对比，可以定性和定量的分析散热路径在材料的变化，使用过程的老化，工艺的变化等很多影响系统散热的热本征特性的因素，帮助工程师设计出更合理的散热方案。(参考文章：热测试（二）——瞬态热测试与结构函数)

第四代热测试技术，用精准的热测试技术和CFD技术相结合，用CFD软件对瞬态热测试的过程做相应仿真，可以输出仿真的结构函数，把仿真结构函数和实测的做拟合，从而得到材料实际等效几何参数，等效热导率，接触热阻等无法实际准确测量的参数，在软件中标定实际物体的数字热模型（参考文章：热测试（九）——热模型Calibration技术提高IGBT热仿真精度）。基于这样的数字热模型可以仿真、优化系统的散热结构和工艺，发掘超出经验的设计方案，实现正在意义上的数字孪生。

某一些企业分工较细，在产品的热设计的范畴中，有两种职位。一是热设计工程师，二是热仿真工程师，前者要去对产品，对散热方案比较熟悉，后者对软件，对理论比较了解，完美的工程师当然是二者的全面结合。第四代热测试技术，提供虚拟模型和物理实体之间真正的数字孪生，使二者全面结合成为必然，数字孪生技术彻底颠覆了企业原有的研发架构。

从第一代的热电偶，到第四代的Calibration模型，理论在变化，热测试技术在进化，仿真也在变革。热电偶，热测试设备，CFD软件都是工具，仅仅有这些工具，无法实现数字孪生，工程师需要合理的使用这些工具或者是工具的组合，按照研发的需求，校正实体的仿真模型，标准化研发的流程，让工具软件按照我们的要求不断迭代，从而产生新的大量的未知的知识，积累和完善企业的数字资产，让数字孪生技术成为企业研发的源动力。