从“正向设计”角度如何对“电子热管理”进行全局诊断

1   电子热管理：从"被动防护"到"正向设计"跃迁

当前，电子热管理技术正经历从"被动防护"到"正向设计"的范式跃迁。电子热管理的核心在于高效、精准、低成本地解决电子产品的热害问题，需要精确的数据、契合的模型、标准化的研发流程和科学的评价体系。“正向设计”指以系统工程理论、方法和过程模型为指导，面向复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等场景的设计方法。

过去半个多世纪以来，Ansys（2025年6月被新思科技收购）和西门子等是电子热管理方面的大牛。如今，国产黑马——鲁欧智造横空出世，其已掌握了热测试、热分析以及热数字孪生底层的原理及模型，成为了半导体热测试领域长期被国外巨头垄断的破局者。

不久前，鲁欧智造在京主办了第三届用户大会，与合作伙伴一起围绕热数字孪生与TDA（热设计自动化）工具链进行交流。董事长罗亚非从“正向设计”的基石开始，探讨了热数字孪生技术的体系，介绍了该公司在热管理方面的布局规划。

2   正向设计的基石

●   测量

多年来，罗亚非董事长参与过很多客户的实际项目，发现底层设计时最核心的一个点是测量。

实际上，如果追溯人类科学史，会发现如果离开了测量，今天的科学将会一无所有，整个科学大厦会垮塌。因为我们今天用到的所有工具、数据、工程模型都建立在测量的基础上。国际单位制有7个基本单位——米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎德拉，它们几乎每天都被用到，可见测量是构建科学大厦的一个最基础的方面。

在电子热管理领域，会衍生出很多新的技术单位，诸如电压、电阻、电容、电感、热传导的热导率等，这些也离不开这7个基本单位。否则，无论是计算、仿真还是工程设计等都无法进行。所以测量是所有正向设计的起点。

●   数学

在测量之后是数学。数学是唯一可以跨越时间、空间、文化、种族、物种进行交流的语言。例如人们可以说不同的语言，但是在讨论数学问题时却是统一的。如果离开数学，人类文明也将彻底倒退至原始状态，可能无法延续至今。

●   建模

之后就要建模。建模是科学研究的核心方法论之一。它通过抽象、简化和数学化显示世界，帮助科学家理解复杂现象，预测未来行为，以指导技术创新。

在整个工程和科学领域，有很多定律，例如牛顿三大定律，爱因斯坦相对论的公式，以及现代统计学的核心就是如何用模型去描绘今天的客观世界，例如社会的金字塔人才结构。可见，模型无处不在，科学界有关于自然规律的建模，在社会科学中有对组织行为的建模。

只有把模型建出来了，我们才能在模型的基础上进行更加复杂详细的设计。例如今天做的新能源汽车，可以达到上万个零部件，如果不给它建模，整个设计将无从做起。

所以在做实际的几何建模时，背后还有很多科学建模，包括行为建模、可靠性模型等。从测量到建模之后怎样评估它的寿命，以及评估在实际应用场景的使用方法？最终都是两个字：建模。

●   仿真

建模使人类的科学走向了星辰大海。从科学来到了工程领域，要把这些建好的模型/知识用起来，因此最终还要做一件重要的事情——仿真。

仿真是连接理论与实验的桥梁，是现代工业的核心之一。从20世纪末到今天的21世纪，在工程的发展史上，仿真变得越来越重要。因为模型越来越复杂，我们要处理的物理问题越来越多，仅靠人类自己的双手、大脑已经做不下去了。例如航天、汽车、芯片、未来的低空经济等一定离不开仿真。

在仿真领域里，做出第一大杰出贡献的是冯·诺伊曼（1903—1957，匈牙利犹太裔美籍），他发明了今天计算机最基础的架构。只有在计算机的辅助下，人类的算力才得到了指数级的爆发性增长。在算力达到了一个新高度时，人们才有可能通过计算机把科学的定律、知识等运用起来，最后可以快速地得到一个工程计算的结果，这就是仿真。

●   仿真中的热数字孪生

有了计算机的知识以后，仿真领域发展得越来越快。在流体仿真领域，开创先河的大师是斯波尔丁（1923-2016，英国），他是英国帝国理工大学的教授，在CFD（计算流体力学）领域可谓第一人，发明了有限体积分析法。此后，还有克劳夫（1922-2016），他虽然没有那么有名，但是也是有限元领域的提出人。所以从流体仿真的历史影响力来看，他们都非常值得人们尊敬、纪念的。

接下来在仿真的发展史上，出现了世界闻名的Ansys（1970年成立，2025年被新思科技收购）等公司，相信未来还会有更多的团队和公司涌现，向业界提供更多更好的解决方案。

3   设计与测试相生相伴

正向设计的一个标准流程是V字模型。

图 正向设计的流程

从V字的左上角开始，首先做需求分析，然后是系统设计、架构设计、模块设计，是一层层的建模。从最顶层抽象的模型开始，是需求。接下来是架构设计，例如做汽车，需要方向盘、动力系统、电池系统、马达……，以及怎么去互联，信号怎么去传输，动力怎么去驱动。接下来，用什么样的底层通信协议、模块。是一层层地设计、建模。

在建模过程中要不断地测试，来验证做出来的实物是否与设计一致。先从最小的单元测试开始；测完之后做组合在一起的功能测试；然后再合成一个更大的系统，做系统测试；最后到交付的时候，要做放行测试。最终这个产品才到了用户的手里。

所以今天的汽车用户不用担心爱车什么时候会坏，因为背后全部是由工程数据的采集、数学的计算、模型的使用来支撑的。实际上，当今的复杂系统离不开从数学到建模、测量的过程。

4   热管理体系

热管理是一个细分领域，也脱不开科学体系的金字塔。

图 热数字孪生技术体系

从科学体系上看，我们在研究客观世界的时候，第一件事是测量。以天文学为例，观测、测量第一看星星怎么动，发现东升西落。然后开始建模，用像中国的日晷一样去采集数据。第三是做数据分析。当分析出很多有用的数据后，变成信息。这些信息最终通过一些科学家或大脑比较活跃的人把它们变成了模型。例如牛顿万有引力定律，流体仿真领域的方程式。把它们变成了知识，就很厉害了。因为知识具备传承性，可从一个个体传到了另一个个体，最终成为一个群体的财富。一旦形成知识了，就可以用来解决更多深层次的问题，并得以流传下来。人类科学传承了几千年，积累形成了今天的科技文明，我们可以用这些知识去解决各种各样的工程问题、科学问题以及社会问题，为人类创造更好的未来。

5   鲁欧智造的解决方案

第一步，解决测量问题。目前已经向客户交付了热测试的设备，主要是做结构测试和半导体芯片相关的瞬态热阻测试，以及衍生出来的可靠性测试，还有光学-热学联合测试等仪器和设备。

例如，“赤霄”系列的质检设备是鲁欧智造自主研发推出的定制化解决方案，可利用瞬态热测试技术实现产线上的快速无损全检；可实现器件、模组乃至产品级别的多层次同时检测及判定；可利用产线上回收积累的检测数据，优化判定算法，提高检出率，进一步降低不良品的流出风险。

鲁欧智造也在做数学上的数据处理软件，已经成为测量设备的一部分。下一步会推出更多可以创造新知识的数学工具。

有了数学产品之后，鲁欧智造开始以建模为中心，推出了热数字孪生体系。这是对整个热管理行业的底层知识做研究，积累实验分析数据，以建立好一套完整的建模体系及评估体系，并最终把这些模型传递到仿真里。

在仿真领域，鲁欧智造推出了新产品——多物理场FASIM仿真平台。它提供了流体动力学，电子散热、结构、电磁和光学的多物理场仿真模块，具备快速建模、高精度计算、操作界面简洁三大优势。期望不久的将来，FASIM仿真平台在中国成为一个行业标准化的产品；在更远的未来，可以超过国外的一些主流产品，成为仿真领域的技术领导者。