1   電子熱管理：從"被動防護(hù)"到"正向設(shè)計"躍遷

當(dāng)前，電子熱管理技術(shù)正經(jīng)歷從"被動防護(hù)"到"正向設(shè)計"的范式躍遷。電子熱管理的核心在于高效、精準(zhǔn)、低成本地解決電子產(chǎn)品的熱害問題，需要精確的數(shù)據(jù)、契合的模型、標(biāo)準(zhǔn)化的研發(fā)流程和科學(xué)的評價體系?！?a class="contentlabel" href="http://www.bjwjmy.cn/news/listbylabel/label/正向設(shè)計">正向設(shè)計”指以系統(tǒng)工程理論、方法和過程模型為指導(dǎo)，面向復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的改進(jìn)改型、技術(shù)研發(fā)和原創(chuàng)設(shè)計等場景的設(shè)計方法。

過去半個多世紀(jì)以來，Ansys（2025年6月被新思科技收購）和西門子等是電子熱管理方面的大牛。如今，國產(chǎn)黑馬——魯歐智造橫空出世，其已掌握了熱測試、熱分析以及熱數(shù)字孿生底層的原理及模型，成為了半導(dǎo)體熱測試領(lǐng)域長期被國外巨頭壟斷的破局者。

不久前，魯歐智造在京主辦了第三屆用戶大會，與合作伙伴一起圍繞熱數(shù)字孿生與TDA（熱設(shè)計自動化）工具鏈進(jìn)行交流。董事長羅亞非從“正向設(shè)計”的基石開始，探討了熱數(shù)字孿生技術(shù)的體系，介紹了該公司在熱管理方面的布局規(guī)劃。

2   正向設(shè)計的基石

●   測量

多年來，羅亞非董事長參與過很多客戶的實際項目，發(fā)現(xiàn)底層設(shè)計時最核心的一個點是測量。

實際上，如果追溯人類科學(xué)史，會發(fā)現(xiàn)如果離開了測量，今天的科學(xué)將會一無所有，整個科學(xué)大廈會垮塌。因為我們今天用到的所有工具、數(shù)據(jù)、工程模型都建立在測量的基礎(chǔ)上。國際單位制有7個基本單位——米、千克、秒、安培、開爾文、摩爾、坎德拉，它們幾乎每天都被用到，可見測量是構(gòu)建科學(xué)大廈的一個最基礎(chǔ)的方面。

在電子熱管理領(lǐng)域，會衍生出很多新的技術(shù)單位，諸如電壓、電阻、電容、電感、熱傳導(dǎo)的熱導(dǎo)率等，這些也離不開這7個基本單位。否則，無論是計算、仿真還是工程設(shè)計等都無法進(jìn)行。所以測量是所有正向設(shè)計的起點。

●   數(shù)學(xué)

在測量之后是數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是唯一可以跨越時間、空間、文化、種族、物種進(jìn)行交流的語言。例如人們可以說不同的語言，但是在討論數(shù)學(xué)問題時卻是統(tǒng)一的。如果離開數(shù)學(xué)，人類文明也將徹底倒退至原始狀態(tài)，可能無法延續(xù)至今。

●   建模

之后就要建模。建模是科學(xué)研究的核心方法論之一。它通過抽象、簡化和數(shù)學(xué)化顯示世界，幫助科學(xué)家理解復(fù)雜現(xiàn)象，預(yù)測未來行為，以指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新。

在整個工程和科學(xué)領(lǐng)域，有很多定律，例如牛頓三大定律，愛因斯坦相對論的公式，以及現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)的核心就是如何用模型去描繪今天的客觀世界，例如社會的金字塔人才結(jié)構(gòu)?？梢姡Ｐ蜔o處不在，科學(xué)界有關(guān)于自然規(guī)律的建模，在社會科學(xué)中有對組織行為的建模。

只有把模型建出來了，我們才能在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加復(fù)雜詳細(xì)的設(shè)計。例如今天做的新能源汽車，可以達(dá)到上萬個零部件，如果不給它建模，整個設(shè)計將無從做起。

所以在做實際的幾何建模時，背后還有很多科學(xué)建模，包括行為建模、可靠性模型等。從測量到建模之后怎樣評估它的壽命，以及評估在實際應(yīng)用場景的使用方法？最終都是兩個字：建模。

●   仿真

建模使人類的科學(xué)走向了星辰大海。從科學(xué)來到了工程領(lǐng)域，要把這些建好的模型/知識用起來，因此最終還要做一件重要的事情——仿真。

仿真是連接理論與實驗的橋梁，是現(xiàn)代工業(yè)的核心之一。從20世紀(jì)末到今天的21世紀(jì)，在工程的發(fā)展史上，仿真變得越來越重要。因為模型越來越復(fù)雜，我們要處理的物理問題越來越多，僅靠人類自己的雙手、大腦已經(jīng)做不下去了。例如航天、汽車、芯片、未來的低空經(jīng)濟(jì)等一定離不開仿真。

在仿真領(lǐng)域里，做出第一大杰出貢獻(xiàn)的是馮·諾伊曼（1903—1957，匈牙利猶太裔美籍），他發(fā)明了今天計算機最基礎(chǔ)的架構(gòu)。只有在計算機的輔助下，人類的算力才得到了指數(shù)級的爆發(fā)性增長。在算力達(dá)到了一個新高度時，人們才有可能通過計算機把科學(xué)的定律、知識等運用起來，最后可以快速地得到一個工程計算的結(jié)果，這就是仿真。

●   仿真中的熱數(shù)字孿生

有了計算機的知識以后，仿真領(lǐng)域發(fā)展得越來越快。在流體仿真領(lǐng)域，開創(chuàng)先河的大師是斯波爾?。?923-2016，英國），他是英國帝國理工大學(xué)的教授，在CFD（計算流體力學(xué)）領(lǐng)域可謂第一人，發(fā)明了有限體積分析法。此后，還有克勞夫（1922-2016），他雖然沒有那么有名，但是也是有限元領(lǐng)域的提出人。所以從流體仿真的歷史影響力來看，他們都非常值得人們尊敬、紀(jì)念的。

接下來在仿真的發(fā)展史上，出現(xiàn)了世界聞名的Ansys（1970年成立，2025年被新思科技收購）等公司，相信未來還會有更多的團(tuán)隊和公司涌現(xiàn)，向業(yè)界提供更多更好的解決方案。

3   設(shè)計與測試相生相伴

正向設(shè)計的一個標(biāo)準(zhǔn)流程是V字模型。

圖 正向設(shè)計的流程

從V字的左上角開始，首先做需求分析，然后是系統(tǒng)設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計、模塊設(shè)計，是一層層的建模。從最頂層抽象的模型開始，是需求。接下來是架構(gòu)設(shè)計，例如做汽車，需要方向盤、動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、馬達(dá)……，以及怎么去互聯(lián)，信號怎么去傳輸，動力怎么去驅(qū)動。接下來，用什么樣的底層通信協(xié)議、模塊。是一層層地設(shè)計、建模。

在建模過程中要不斷地測試，來驗證做出來的實物是否與設(shè)計一致。先從最小的單元測試開始；測完之后做組合在一起的功能測試；然后再合成一個更大的系統(tǒng)，做系統(tǒng)測試；最后到交付的時候，要做放行測試。最終這個產(chǎn)品才到了用戶的手里。

所以今天的汽車用戶不用擔(dān)心愛車什么時候會壞，因為背后全部是由工程數(shù)據(jù)的采集、數(shù)學(xué)的計算、模型的使用來支撐的。實際上，當(dāng)今的復(fù)雜系統(tǒng)離不開從數(shù)學(xué)到建模、測量的過程。

4   熱管理體系

熱管理是一個細(xì)分領(lǐng)域，也脫不開科學(xué)體系的金字塔。

圖 熱數(shù)字孿生技術(shù)體系

從科學(xué)體系上看，我們在研究客觀世界的時候，第一件事是測量。以天文學(xué)為例，觀測、測量第一看星星怎么動，發(fā)現(xiàn)東升西落。然后開始建模，用像中國的日晷一樣去采集數(shù)據(jù)。第三是做數(shù)據(jù)分析。當(dāng)分析出很多有用的數(shù)據(jù)后，變成信息。這些信息最終通過一些科學(xué)家或大腦比較活躍的人把它們變成了模型。例如牛頓萬有引力定律，流體仿真領(lǐng)域的方程式。把它們變成了知識，就很厲害了。因為知識具備傳承性，可從一個個體傳到了另一個個體，最終成為一個群體的財富。一旦形成知識了，就可以用來解決更多深層次的問題，并得以流傳下來。人類科學(xué)傳承了幾千年，積累形成了今天的科技文明，我們可以用這些知識去解決各種各樣的工程問題、科學(xué)問題以及社會問題，為人類創(chuàng)造更好的未來。

5   魯歐智造的解決方案

第一步，解決測量問題。目前已經(jīng)向客戶交付了熱測試的設(shè)備，主要是做結(jié)構(gòu)測試和半導(dǎo)體芯片相關(guān)的瞬態(tài)熱阻測試，以及衍生出來的可靠性測試，還有光學(xué)-熱學(xué)聯(lián)合測試等儀器和設(shè)備。

例如，“赤霄”系列的質(zhì)檢設(shè)備是魯歐智造自主研發(fā)推出的定制化解決方案，可利用瞬態(tài)熱測試技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)線上的快速無損全檢；可實現(xiàn)器件、模組乃至產(chǎn)品級別的多層次同時檢測及判定；可利用產(chǎn)線上回收積累的檢測數(shù)據(jù)，優(yōu)化判定算法，提高檢出率，進(jìn)一步降低不良品的流出風(fēng)險。

魯歐智造也在做數(shù)學(xué)上的數(shù)據(jù)處理軟件，已經(jīng)成為測量設(shè)備的一部分。下一步會推出更多可以創(chuàng)造新知識的數(shù)學(xué)工具。

有了數(shù)學(xué)產(chǎn)品之后，魯歐智造開始以建模為中心，推出了熱數(shù)字孿生體系。這是對整個熱管理行業(yè)的底層知識做研究，積累實驗分析數(shù)據(jù)，以建立好一套完整的建模體系及評估體系，并最終把這些模型傳遞到仿真里。

在仿真領(lǐng)域，魯歐智造推出了新產(chǎn)品——多物理場FASIM仿真平臺。它提供了流體動力學(xué)，電子散熱、結(jié)構(gòu)、電磁和光學(xué)的多物理場仿真模塊，具備快速建模、高精度計算、操作界面簡潔三大優(yōu)勢。期望不久的將來，F(xiàn)ASIM仿真平臺在中國成為一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品；在更遠(yuǎn)的未來，可以超過國外的一些主流產(chǎn)品，成為仿真領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。