CN106772532B - 基于水冷的光电探测器封装结构及其封装方法 - Google Patents

基于水冷的光电探测器封装结构及其封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水冷的光电探测器封装结构及其封装方法,封装结构包括水冷板单元和安装于水冷板单元上的至少一个探测模块，所述探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元连接，所述导热单元包括导热板和安装板，所述导热板与安装板固定连接，所述导热板与安装板之间形成有导热腔；封装方法包括如下步骤，封装单个的探测模块，组装水冷板单元，将所有探测模块组装到水冷板单元上。本发明通过对水冷板单元、探测器单元和导热单元三者之间的结构设计，可以实现温度的均衡传递，从而使采用的光电探测器达到最佳工作状态，使应用该光电探测器的设备具有更好的性能参数。

Description

基于水冷的光电探测器封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种基于水冷的光电探测器封装结构及其封装方法。
背景技术
医疗技术中，PET等设备都会应用一些光电探测器，以用于射线测量和探测。例如，SiPM(Silicon photomultiplier，硅光电倍增管)作为一种新型的半导体探测器，其紧凑的结构及较高的信噪比，大大提高了PET设备的空间分辨率。
光电探测器一般后端都会配置后端电路，用于信号处理计算，一般会带来比较大的热量。但是，这些光电探测器，对温度及温度的变化极其敏感，所以必须通过一定的冷却温控方法和封装技术才能实现正常工作的温控要求，从而使光电探测器工作性能达到最佳状态。
目前，光电探测器的冷却方法一般分为两种：一种是风冷，通过风扇对探测器进行表面降温，通过空气循环带走过多热量；另一种是水冷，以水路为载体，通过特定的结构实现对探测器降温。
公开号为CN104081223A、公开日为2014年10月1日的专利“用于PET探测器的区块安装”提出了一种对探测器的冷却安装方案，每个探测器模块包括冷却结构和安装结构，每个探测器区块连接到冷却结构实现冷却安装。该专利着重介绍了一种光电探测器的安装方式，但是关于光电探测器的冷却只是提到冷却和安装结构之间可具有导热膏或热元件，至于如何使冷却结构件温度均匀地传递给光电探测器并没有给出，如果按照该专利方法难以实现温度的均衡传递。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于水冷的光电探测器封装结构以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
根据本发明实施例的第一方面，提出了一种基于水冷的光电探测器封装结构，包括水冷板单元和安装于水冷板单元上的至少一个探测模块，所述的探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元连接，所述的导热单元包括导热板和安装板，所述导热板与安装板固定连接，所述导热板与安装板之间形成有导热腔。
作为优选，所述探测模块的外围设有热塑材料层。
作为优选，所述的探测器单元包括光电探测器板和若干个晶体，所述光电探测器板的一端与晶体连接，所述光电探测器板的另一端至少设有一个凸出于光电探测器板表面的线孔插槽。
作为优选，所述光电探测器板的一端与晶体粘接。
作为优选，所述导热板开设有与线孔插槽相对应的第一孔，所述安装板开设有与线孔插槽相对应的第二孔。
作为优选，所述安装板的外周设有用于连接水冷板单元的安装孔。
作为优选，所述导热板与光电探测器板粘接。
作为优选，所述安装板一面的外周设有翻边，所述翻边的高度大于或等于导热板的厚度，导热板嵌入安装在安装板有翻边的一面。
作为优选，所述导热板与安装板粘接。
作为优选，所述导热板与安装板为过盈配合。
作为优选，所述导热板朝向安装板的一面设有凹槽，所述导热腔形成于导热板的凹槽与安装板之间。
作为优选，所述的水冷板单元包括上部水冷板、下部水冷板及水冷管，所述的水冷管嵌设在上部水冷板和下部水冷板之间。
作为优选，所述上部水冷板的厚度大于所述下部水冷板；或，所述上部水冷板的厚度小于所述下部水冷板。
作为优选，所述的上部水冷板、下部水冷板上均设有与插线孔槽相对应的槽形开口。
根据本发明实施例的第二方面，提出了一种根据上述基于水冷的光电探测器封装结构的封装方法，包括如下步骤：
封装单个的探测模块；
组装水冷板单元；
将所有探测模块组装到水冷板单元上；
其中，所述的探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元连接，所述的导热单元包括导热板和安装板，所述导热板与安装板固定连接，所述导热板与安装板之间形成有导热腔。
与现有技术相比较，本发明通过对水冷板单元、探测器单元和导热单元三者之间的结构设计，可以实现温度的均衡传递，从而使采用的光电探测器达到最佳工作状态，使应用该光电探测器的设备具有更好的性能参数。
附图说明
图1为本发明基于水冷的光电探测器封装结构的一种结构示意图；
图2为本发明基于水冷的光电探测器封装结构的一种横截面示意图；
图3为本发明基于水冷的光电探测器封装结构中探测器单元的结构示意图；
图4为本发明基于水冷的光电探测器封装结构中导热单元的结构示意图；
图5为本发明基于水冷的光电探测器封装结构中导热板的结构示意图；
图6为本发明基于水冷的光电探测器封装结构中安装板的结构示意图；
图7为本发明基于水冷的光电探测器封装结构中水冷板单元的分解结构示意图；
图8为本发明基于水冷的光电探测器封装方法的流程图；
图9为本发明基于水冷的光电探测器封装方法中封装单个的探测模块的流程图。
图中，1-上部水冷板，2-下部水冷板，3-安装板，4-导热板，5-光电探测器板，6-晶体，7-水管槽，8-水冷管，9-槽形开口，10-探测模块，11-水冷板单元，12-线孔插槽，13-第一孔，14-凹槽，15-第二孔，16-翻边，17-安装孔。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二等来描述各种结构，但这些结构不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的结构彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一孔也可以被称为第二孔，类似地，第二孔也可以被称为第一孔，取决于语境。
如图1所示，一种基于水冷的光电探测器封装结构，包括水冷板单元11和安装于水冷板单元11上的至少一个探测模块10，所述的探测模块10包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元11连接。图2为图1所示本发明基于水冷的光电探测器封装结构的横截面结构示意图。
本发明的一个可行的实施方式中，所述探测模块10的外围设有热塑材料层。由于探测模块10是各部件粘接而成，热塑材料层的作用是保证整个探测模块10粘接的整齐牢固。
如图3所示，所述的探测器单元包括光电探测器板5和若干个晶体6，所述光电探测器板5的一端与晶体6连接，所述光电探测器板5的另一端至少设有一个凸出于光电探测器板5表面的线孔插槽12。
本发明的光电探测器板5为设置光电探测器的光子接收单元，所述光电探测器可以是硅光电倍增管(SiPM)探测器，还可以是其他类型的探测器，比如镉锌碲化物(CZT)或其他固态探测器。光电探测器或晶体可以是像素化的。所述线孔插槽12用于光电探测器的连接线与外部设备的插接，线孔插槽12的数量为一个、两个或多个，具体可以根据实际操作要求设置。
本发明的一个可行的实施方式中，所述光电探测器板5的一端与晶体6粘接。为了稳固性，可以利用光学粘接剂在定位工装辅助下对光电探测器板5和晶体6进行精确粘接。
如图4所示，所述的导热单元包括导热板4和安装板3，所述导热板4与安装板3固定连接。
所述导热板4与安装板3之间形成有导热腔。本发明的一个可行的实施方式中，如图5所示，所述导热板4朝向安装板3的一面设有凹槽14，凹槽14为温度平衡缺口，导热板4的凹槽14与安装板3之间形成导热腔。导热板4采用具有很好导热性的导热材料制成。
所述凹槽14的数量、形状和深度等均可根据实际需要进行有选择的设置。凹槽14的数量可以为一个，两个，或多个；凹槽14的形状可以为平行四边形、正多边形、圆形、椭圆形，还可以为两条边分边在导热板4两侧边的不规则多边形等，凹槽14的侧边可以呈一侧或两侧的阶梯型、栅栏型、回字型等多种构型；凹槽14的深度小于导热板4的厚度即可，具体深度视导热需要而定。
如图6所示，所述安装板3一面的外周设有翻边16，所述翻边16的高度大于或等于导热板4的厚度，导热板4嵌入安装在安装板3有翻边16的一面。安装板3为结构件，可以为冲压成型，也可以用去除材料的办法加工成型。
所述安装板3的外周设有用于连接水冷板单元11的安装孔17。安装孔17可以为一或两个销孔和两个螺纹孔，水冷板单元11上设置与安装孔17对应的一或两个销孔和两个螺钉沉头孔，通过销钉实现探测模块10安装到水冷板单元11上的定位安装，通过螺钉实现探测模块10安装到水冷板单元11上的夹紧安装。当然，安装孔17的安装形式不限于销钉和螺钉，也可应用螺栓等其他固定方式。
本发明的一个可行的实施方式中，所述导热板4与安装板3粘接；本发明的另一个可行的实施方式中，所述导热板4与安装板3为过盈配合。
采用上述实施例的方式将导热板4与安装板3配合安装，二者定位是结构上保证的自定位。安装完成之后，二者之间因设有凹槽14会形成导热腔，该导热腔为空气腔。导热板4、安装板3通过不同导热系数材料组合形成空气腔，用局部导热系数不同来平衡局部温度差变化。
本发明的一个可行的实施方式中，导热板4与安装板3都用导热材料制成，将两个零件两种材料用一个零件一种材料进行替代，通过凹槽14等凹形设计或者凸凹形设计实现温度在水冷板单元11与光电探测器板5之间均匀传递。
所述导热板4与安装板3组装为完整的导热单元后，导热单元的底部与光电探测器板5的上表面粘接。具体的，可以在安装板3的下表面与光电探测器板5的上表面分别涂覆光学粘接剂，通过特定工装辅助，完成两者的粘接。
所述导热板4开设有与线孔插槽12相对应的第一孔13，所述安装板3开设有与线孔插槽12相对应的第二孔15。第一孔13和第二孔15用于容纳光电探测器的连接线，第一孔13和第二孔15的深度之和与线孔插槽12凸出于光电探测器板5表面的高度相一致，即线孔插槽12的最外端与导热板4的上表面、安装板3的翻边16平齐，从而使整个探测模块10封装后的表面平整。
如图7所示，所述的水冷板单元11包括上部水冷板1、下部水冷板2及水冷管8，所述的水冷管8嵌设在上部水冷板1和下部水冷板2之间，上部水冷板1、下部水冷板2之间通过焊接联结。上部水冷板1的下底面和下部水冷板2的上底面均可以开设和水冷管8形状相适配的水管槽7，水冷管8可以容纳在水管槽7中。水冷管8可以采用铜管或其他材质的管道，在水冷管8中通入冷却水，即可实现水冷板单元11工作。
进一步的，在本发明的一可选实施例中，所述上部水冷板1的厚度大于所述下部水冷板2；或，所述上部水冷板1的厚度小于所述下部水冷板2。通过上部水冷板1、下部水冷板2薄厚设计不同，从另外一个角度来消除因为水冷板单元11内部结构特性所带来的温度不均匀性，从而使下部水冷板2下表面传递出尽可能一致的温度。
所述的上部水冷板1、下部水冷板2上均设有与插线孔槽12相对应的槽形开口9。槽形开口9用于容纳光电探测器的连接线，的中心线与线孔插槽12、第一孔13、第二孔15的中心线为同一直线。水冷板单元11上预留用于安装探测模块10的孔位，孔位与安装板3的安装孔17相对应，可以为销孔与螺孔等。
当然，上述实施例仅为示例性的说明，本发明中并不限于此，时序供电支路数量与以上实施例不同的情况同样适用于本发明中。
在本发明实施例的又一方面，还提出了一种根据上述基于水冷的光电探测器封装结构的封装方法，如图8所示，包括如下步骤：
第一步，S101，封装单个的探测模块10。
将晶体6、光电探测器板5、导热板4、安装板3等组装为单个探测模块10。
第二步，S102，组装水冷板单元11。
将上部水冷板1、下部水冷板2及水冷管8组装成水冷板单元11。
第三步，S103，将所有探测模块组装到水冷板单元11上。
一个完整的探测器模块组可能对应多个探测模块10，依次将所有的探测模块10安装到水冷板单元11上。探测模块10的安装板3与水冷板单元11可以通过销钉或螺钉或螺栓连接。安装完整的模块组后在水冷板单元11通入冷却水即可实现SiPM探测器封装及温控。
其中，所述的探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元11连接，所述的导热单元包括导热板4和安装板3，所述导热板4与安装板3固定连接，所述导热板4与安装板3之间形成有导热腔。
具体的，步骤S101中，在封装单个的探测模块时，如图9所示，具体步骤如下：
S110，将晶体6粘接在光电探测器板5上。
将晶体6与光电探测器板5利用光学粘接剂在定位工装辅助下进行精确粘接。
S120，将导热板4安装在安装板3上。
将导热板4与安装板3配合安装，结合的固定方式可以为胶接或者小过盈的过盈配合，二者是结构上保证的自定位。安装完成之后，导热板4与安装板3会形成导热腔，一起用来平衡来自上方水冷板单元11的不平衡温度。
S130，将光电探测器板5粘接在安装板3上。
在安装板3下表面与光电探测器板5上表面涂光学粘接剂，通过特定工装辅助完成两者的粘接。
S140，进行热塑封。
晶体6、光电探测器板5、导热板4、安装板3均组装完成后，通过热塑材料进行热塑封，得到探测模块10。
步骤S102中，在组装水冷板单元11时，具体步骤如下：
将水冷管8嵌在上部水冷板1和下部水冷板2之间；
将上部水冷板1和下部水冷板2焊接联结。
当然，上部水冷板1和下部水冷板2也可采用焊接以外的方式联结。
以上封装方法中的部分元件的技术特征在前述封装结构的描述中已做说明，在此不再赘述。
本发明通过对水冷板单元、探测器单元和导热单元三者之间的结构设计，可以实现在水冷板单元表面温度不均匀状态传到探测器单元表面温度均匀一致的目的，从而使采用的光电探测器达到最佳工作状态，使应用该光电探测器的设备具有更好的性能参数。本发明可具体应用于具有二级成像模态的正电子发射断层摄影(PET)或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)系统，其范例包括计算机断层摄影(CT)、磁共振(MR)成像以及SPECT，还具体应用于独立的PET或SPECT扫描器。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由本申请的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，包括水冷板单元和安装于水冷板单元上的至少一个探测模块，所述的探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元连接，所述的导热单元包括导热板和安装板，所述导热板与安装板固定连接，所述导热板与安装板之间形成有导热腔；
所述导热板朝向所述安装板的一面设置有凹槽，所述导热腔形成于导热板的凹槽与安装板之间，所述导热腔为空气腔。
2.根据权利要求1所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述的探测器单元包括光电探测器板和若干个晶体，所述光电探测器板的一端与晶体连接，所述光电探测器板的另一端至少设有一个凸出于光电探测器板表面的线孔插槽。
3.根据权利要求2所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述导热板开设有与线孔插槽相对应的第一孔，所述安装板开设有与线孔插槽相对应的第二孔。
4.根据权利要求3所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述安装板的外周设有用于连接水冷板单元的安装孔。
5.根据权利要求3所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述安装板一面的外周设有翻边，所述翻边的高度大于或等于导热板的厚度，导热板嵌入安装在安装板有翻边的一面。
6.根据权利要求3所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述的水冷板单元包括上部水冷板、下部水冷板及水冷管，所述的水冷管嵌设在上部水冷板和下部水冷板之间。
7.根据权利要求6所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述上部水冷板的厚度大于所述下部水冷板；或，所述上部水冷板的厚度小于所述下部水冷板。
8.根据权利要求6所述的基于水冷的光电探测器封装结构，其特征在于，所述的上部水冷板、下部水冷板上均设有与插线孔槽相对应的槽形开口。
9.一种根据权利要求1至8任意一项所述基于水冷的光电探测器封装结构的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
封装单个的探测模块；
组装水冷板单元；
将所有探测模块组装到水冷板单元上；
其中，所述的探测模块包括探测器单元和导热单元，所述导热单元的一端与所述探测器单元连接，所述导热单元的另一端与水冷板单元连接，所述的导热单元包括导热板和安装板，所述导热板与安装板固定连接，所述导热板与安装板之间形成有导热腔；所述导热板朝向所述安装板的一面设置有凹槽，所述导热腔形成于导热板的凹槽与安装板之间，所述导热腔为空气腔。
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