CN108924393B - 一种大靶面图像传感器的散热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大靶面图像传感器的散热结构，所述散热结构包括图像传感器板、散热板和机壳前盖；所述图像传感器板包括图像传感器电路板、图像传感器座和图像传感器芯片；所述图像传感器座固定在所述图像传感器电路板上；所述散热板安装在所述图像传感器座上，所述散热板具有矩形通孔，所述图像传感器芯片的引脚插针在所述矩形通孔内与所述图像传感器座相连；所述图像传感器板将所述散热板压装在所述机壳前盖上。本发明不仅通过散热板散热，还通过安装在机壳前盖上的PCB板散热，结构简单、紧凑，极大地解决布局紧张问题，可实现大靶面图像传感器的散热目的，还可方便图像传感器的拆装。

Description

一种大靶面图像传感器的散热结构
技术领域
本发明涉及一种图像传感器的散热结构，尤其涉及一种大靶面图像传感器的散热结构，属于摄像机的技术领域。
背景技术
大靶面、像素高的图像传感器(如CCD或CMOS)工作时，发热比较严重，而图像传感器对温度比较敏感，随温度升高，图像的热噪声会增大。对于长时间工作，或者环境温度较高的情况，图像传感器如果散热效果不好，则不仅影响图像质量，甚至会损坏芯片。
现有的针对摄像机图像传感器的散热结构主要是从机壳、散热板以及PCB板(印刷电路板)三个方面进行散热。
1.通过机壳散热，如申请号为CN201511008244.5的专利公开的一种结构改良的工业相机壳体，L型的安装座，安装座的前端面固定镜头保护外壳，安装座的后端面固定后盖板，后盖板和镜头保护外壳之间安装座上固定有‘冂’字形的罩壳，罩壳的侧壁上设有散热件，散热件包括侧板，侧板的内侧端面抵靠在罩壳的侧壁上，且有若干T型的插接头，侧板的外侧端面上成型有若干散热板；罩壳的侧壁上有若干道竖直的插槽，插接头插接在罩壳的插槽内；散热件内有散热槽，散热槽由横向槽和纵向槽组成，横向槽分布在侧板内，纵向槽分布在插接头内并与横向槽和罩壳内腔相连通。这种壳体结构实现了工业相机的散热目的，但是这种结构比较复杂，且只是从壳体上散热，不涉及图像传感器和PCB板的散热。
2.通过增加散热板散热，如申请号为CN201210293282.X专利提供的一种摄像机散热装置，CMOS芯片安装在图像传感器板正面，散热金属块粘贴或者固定在图像传感器板的背面，散热金属块中间可以开口，用于布设元器件，导热膜用柔性导热材料制成，分前部、弯折部和后部，前部中间开口包围CMOS芯片，后部贴在散热金属块上，将CMOS芯片的热量通过导热膜传递到散热金属块上，借助散热金属块的散热效果将大部分热量散发出去。但在大靶面图像传感器中存在多个芯片，这种方法对于芯片多，且小型化的电路设计不适合，空间布局紧张。再如申请号为CN201120376499.8和CN201220082630.4的专利均提供了一种在图像传感器芯片和PCB板之间加散热片进行散热的方法，区别在于申请号为CN201120376499.8的实用新型提供了一种散热片，CCD芯片安放在散热片凹槽内，芯片引脚从铜片两边伸出焊接到PCB板上，散热片两边的突起固定到金属前壳上，图像传感器的热量通过散热板传到金属前壳上，实现散热。而申请号为CN201220082630.4的实用新型提供了一种图像传感器散热结构，散热板是一平面板，中间有通孔，图像传感器的引脚通过散热板的通孔焊接到PCB板，然后散热板与PCB板一同通过螺钉固定到摄像装置上，散热板与外壳之间设置有导热硅胶片，热量通过散热板传递到导热硅胶片最后传到外壳上，实现散热。这两种都能将图像传感器的热量散发出去，但是由于其需根据现场情况将芯片手工焊接到PCB板上，无法实现自动化焊接，因此其只适用于小封装、可以手工焊接的图像传感器，而大靶面和表贴的图像传感器上设计的芯片较多，引脚比较密集，手工焊接无法实现，此种散热方式并不适用。
3.通过PCB板散热，如申请号为CN201710570448.0专利公开的一种高效PCB板散热方法，PCB板第一面设置有CPU安装空间，中间设有CPU焊盘，PCB板第二面设有图像传感器安装空间。有效的PCB板散热方法是，CPU焊盘在第二面的投影与图像传感器安装空间重叠部分打第一散热孔；CPU焊盘在第二面的投影与图像传感器安装空间不重叠部分打第二散热孔；CPU安装空间的非焊盘部分打第三散热孔。第一散热孔的孔径小于第二散热孔的孔径，第二散热孔的孔径小于第三散热孔的孔径，同时对第一散热孔进行塞孔处理，且在图像传感器安装空间的上方开小窗。这种方法对于大功耗，大靶面且小型化的电路设计不适合，空间布局紧张。
4.散热板与PCB板一同散热，如申请号为CN201420385633.4专利提供的一种摄像机图像传感器散热结构，图像传感器板中间安装图像传感器，四周设置漏铜区域，面积占单面表面积至少60％，金属板中间开孔，用于安装图像传感器，金属板与图像传感器板的漏铜区域紧密接触，接触面积占单面表面积至少50％，两者通过螺钉连接，固定在机壳前盖上，机壳前盖上设置有平坦的安装面，这样金属板与机壳的直接接触具有较短的热流通路且散热接触面积较大，有利于图像传感器的热量快速地传到金属板，继而传到机壳。但在大靶面且小型化的电路设计中，很难保证有足够的不设置元件区域，导致该方法同样不适用。
发明内容
针对目前大靶面图像传感器存在的散热问题，本发明提供了一种大靶面图像传感器的散热结构，改进图像传感器座、散热板和PCB板的结构，使其共同实现散热，有效解决大靶面图像传感器的散热问题，同时在小型化、结构紧凑的摄像机中也能够适用，不需要复杂的结构作为支撑即能实现。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
本发明的技术方案是提供了一种大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述散热结构包括图像传感器板、散热板和机壳前盖；
所述图像传感器板包括图像传感器电路板、图像传感器座和图像传感器芯片；所述图像传感器座固定在所述图像传感器电路板上；所述散热板安装在所述图像传感器座上，所述散热板具有矩形通孔，所述图像传感器芯片的引脚插针在所述矩形通孔内与所述图像传感器座相连；所述图像传感器板将所述散热板压装在所述机壳前盖上。
进一步地，所述图像传感器座上具有与所述图像传感器芯片相匹配的插孔，所述插孔位于所述矩形通孔内，所述图像传感器芯片的引脚插针插入所述图像传感器座的插孔中，使二者相连。
进一步地，所述散热结构还包括导热硅胶垫，所述导热硅胶垫粘贴在所述散热板上，并与所述图像传感器芯片相接触。
进一步地，所述导热硅胶垫为柔性导热材料。
进一步地，所述散热板包括散热板前端面和散热板后端面，在两个所述矩形通孔之间设有横梁；所述导热硅胶垫粘贴在所述散热板前端面所述横梁的中间区域；在所述散热板后端面上所述横梁的两侧设有凹槽，所述图像传感器座卡在所述凹槽中。
进一步地，所述图像传感器电路板前端为电路板前端面，在所述路板前端面四周设有漏铜区域；安装后所述漏铜区域紧贴所述机壳前盖平面。
进一步地，所述机壳前盖上端面向内凹进，从外向内依次形成上平面、中间平面和底平面；安装后，所述底平面与所述图像传感器芯片相匹配，所述散热板与所述中间平面紧密贴合，所述图像传感器板的所述漏铜区域与所述上平面紧密贴合。
进一步地，所述图像传感器板设置两个GND层，所述图像传感器芯片的GND引脚与所述GND层连接。
本发明还提供了一种具有散热结构的大靶面相机，其特征在于，所述相机包括散热结构、主电路板、机壳后盖和机壳框；所述散热结构为上述中带有导热硅胶垫的任一项所述的散热结构；所述图像传感器电路板与所述主电路板相连接，所述机壳后盖用于固定所述主电路板和外部信号接口；
所述机壳前盖通过所述机壳框与所述机壳后盖相连，在所述相机中，所述机壳前盖、所述图像传感器芯片、所述导热硅胶垫、所述散热板、所述图像传感器座、所述图像传感器电路板、所述主电路板和所述机壳后盖依次连接。
进一步地，所述主电路板与所述机壳后盖之间也设有所述导热硅胶垫。
本发明的有益效果：
本发明通过PCB板、散热板以及图像传感器座实现散热结构，且结构简单，避免现有技术中只利用机壳散热时的复杂结构，也解决了现有技术中通过PCB板或者散热板散热只能针对小封装图像传感器的问题，可实现大靶面图像传感器的有效散热；本发明中散热板、PCB板与机壳前盖紧密贴合，该结构产生的有效接触面积大，散热通道短且效果明显，且降低了图像传感器的本底噪声；本发明中通过调整散热板的厚度和结构，图像传感器板安装有图像传感器芯片的一面，除了安装图像传感器芯片外还可以布设其他元器件，且不影响散热结构，这在小型化且结构紧凑的电路中，极大地解决布局紧张问题；另外采用图像传感器座，方便图像传感器反复拆装，对于昂贵的图像传感器芯片能够节省成本。
附图说明
图1是本发明大靶面图像传感器的散热结构的爆炸图；
图2是本发明中PCB板示意图；
图3是本发明中散热板示意图；
图4是本发明大靶面图像传感器的散热结构的装配图；
图5是具有本发明大靶面图像传感器的散热结构的相机装配图。
其中：1-图像传感器板、10-图像传感器电路板、101-金属化安装孔、102-沉槽通孔、103-电路板前端面、104-电路板后端面、105-漏铜区域、11-图像传感器座、12-图像传感器芯片、2-散热板、20-固定通孔、21-矩形通孔、22-横梁、23-散热板前端面、24-散热板后端面、3-导热硅胶垫、4-机壳前盖、41-上平面、42-中间平面、43-底平面、5-机壳后盖、6-机壳框。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例记载了一种大靶面图像传感器的散热结构，该散热结构主要针对PGA封装(插针网格阵列封装技术)的图像传感器，如图1所示，其包括图像传感器板1、散热板2、导热硅胶垫3和机壳前盖4，图像传感器板1将散热板2和导热硅胶垫3压装在机壳前盖4上。
图像传感器板1包括图像传感器电路板10、图像传感器座11和图像传感器芯片12。图像传感器电路板10可为PCB板，如图2所示，其四个角分别设有金属化安装孔101，可用其将图像传感器电路板10紧固到机壳前盖4上，金属化安装孔101及使用的螺栓在传导热量的同时，还可用其实现接地设置。在金属化安装孔101的旁边还设有沉槽通孔102，用于放置并紧固散热板2安装到机壳前盖4上所用的紧固件。图像传感器电路板10前后两端分别为电路板前端面103和电路板后端面104，在电路板前端面103四周设有漏铜区域105，电路板后端面104为平面，便于该散热结构与其他结构安装。图像传感器座11焊接在电路板前端面103上，图像传感器座11上具有与图像传感器芯片12相匹配的插孔，图像传感器芯片12的引脚插针插入图像传感器座11的插孔内与之相连，这种插装连接便于图像传感器的反复拆装及更换。
如图3所示，散热板2的四个角分别设有固定通孔20，固定通孔20与图像传感器电路板10上的沉槽通孔102位置相对，紧固螺钉通过沉槽通孔102和固定通孔20将散热板2固定到机壳前盖4上。散热板2中间具有两个矩形通孔21，两个矩形通孔21之间为横梁22，散热板2的前后两端分别为散热板前端面23和散热板后端面24，导热硅胶垫3粘贴在散热板前端面23横梁22的中间区域，夹在图像传感器芯片12与散热板2之间，与图像传感器芯片12相接触。在散热板后端面24上横梁22的两侧设有凹槽，当散热板2架到图像传感器座11上时，图像传感器座11卡在凹槽中，其上的插孔位于矩形通孔21内，图像传感器座11的插孔区端面与散热板前端面23基本在同一平面。在矩形通孔21内，图像传感器芯片12的引脚插针插入图像传感器座11的插孔中，使二者相连。散热板2的结构和厚度不局限于本实施例中所述，可根据图像传感器中元器件的布局调整，使图像传感器座11上除了安装图像传感器芯片12外还可以布设其他元器件，在不影响散热的同时还解决了电路中布局紧张的问题，如散热板中间横梁22所在空间，通过减小横梁22的厚度，在图像传感器电路板10上可以布设元器件，经实验该区域占整个图像传感器电路板10的表面积可达15.62％，使布局空间得到改善。
优选地，导热硅胶垫3采用柔性导热材料，一方面它的柔软性使得图像传感器芯片12插入图像传感器座11时不影响插入深度，另一方面保证图像传感器芯片12、导热硅胶垫3和散热板2三者有效的接触。
机壳前盖4上端面向内凹进，从外向内依次形成上平面41、中间平面42和底平面43，如图4所示，将安装好的图像传感器板1连同散热板2一起固定到机壳前盖4上，底平面43与图像传感器芯片12相匹配，散热板前端面23与机壳前盖4的中间平面42紧密贴合，图像传感器板1的漏铜区域105与机壳前盖4的上平面41紧密贴合。机壳前盖4的其他结构可根据图像传感器设计要求做适应性设计，也可使用现有技术中机壳的散热结构进行散热。
图像传感器芯片12正常工作产生的热量，本实施例的散热结构一方面通过导热硅胶垫3将热量传递到散热板2上，继而传递到机壳前盖4上；另一方面，图像传感器板1设置两个完整GND(地线或0线)层，图像传感器芯片12的GND引脚与GND层连接，图像传感器芯片12的热量通过GND层和漏铜区域105传递到机壳前盖4上，最后通过机壳前盖4散热。
由此，本实施例通过PCB板、散热板2以及图像传感器座11实现散热结构，且由于该散热结构不受靶面大小的影响，可有效的实现大靶面图像传感器的散热目的。经实验可知，散热板2与机壳前盖4的接触面积可占散热板2表面积的34.23％；电路板前端面103四周的漏铜区域105可占图像传感器电路板10表面积的15.21％，另外，导热硅胶垫3的敷设面积可占图像传感器芯片12表面积的23.91％，散热板2表面积的20.77％。
将上述散热结构应用到大靶面相机上，如图5所示，相机还包括主电路板、机壳后盖5和机壳框6，图像传感器电路板10与主电路板通过连接器连接，机壳后盖5上设有错落有致的凸台，用于固定主电路板和外部信号接口，机壳框6用于连接机壳前盖4和机壳后盖5。在相机中，主要组成部件从机壳前盖4开始由前到后，依次是机壳前盖4、图像传感器芯片12、导热硅胶垫3、散热板2、图像传感器座11、图像传感器电路板10、主电路板以及机壳后盖5。本实施例图像传感器芯片12的热量分别经由导热硅胶垫3传递到散热板2和图像传感器电路板10上，然后传递到机壳前盖4上，最后通过机壳前盖4散发出去。在主电路板与机壳后盖5之间也可安装导热硅胶垫3，主电路板上的主芯片产生的热量通过导热硅胶垫3传递到机壳后盖5上，可进一步提高相机散热效果。
本申请具有图像传感器电路板10与机壳前盖4和散热板2与机壳前盖4两路不重合的散热通道，而现有技术中即便使用散热板与PCB板一同散热的申请号为CN201420385633.4的专利也只具有PCB板到机壳前盖一路散热通道。
申请号为CN201420385633.4专利的PCB板漏铜区域与机壳前盖的接触面积可大于200mm2，但至少占整个PCB板50％的表面积。而本申请的图像传感器电路板10在选用57×57mm PCB板时,PCB板漏铜区域与机壳前盖4的接触面积就可达到494.28mm2，但仅占整个PCB板表面积的15.21％。由此可见,本申请在增大PCB板与机壳前盖4的接触面积的同时,还缩小了漏铜区域对PCB板的占比,扩大了内部空间结构，不仅更有利于散热，还增加了元器件的安装面积。
另外对本申请结构中有无设置散热板的两种情况进行对比,在相同工作条件下,不设置散热板,则只通过PCB板与机壳前盖4构成的散热通道散热。
如在环境温度40℃时，具有两路散热通道的图像传感器的热阻θja为3.27℃/W，不加散热板的图像传感器的热阻θja为4.08℃/W，因此具有两路散热通道比只有一路散热通道图像传感器的热阻θja下降了19.85％；除此之外，图像传感器的本底噪声也有明显改善，具有两路散热通道的图像传感器的本底噪声为13个灰度值，不加散热板的图像传感器的本底噪声为32个灰度值，两者相比，具有两路散热结构的图像传感器本底噪声下降了59.38％。可见，两路散热通道的构成在加快散热的同时，还降低了图像传感器的本底噪声。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述散热结构包括图像传感器板(1)、散热板(2)和机壳前盖(4)；
所述图像传感器板(1)包括图像传感器电路板(10)、图像传感器座(11)和图像传感器芯片(12)；所述图像传感器电路板(10)前端为电路板前端面(103)，在所述电路板前端面(103)四周设有漏铜区域(105)；所述图像传感器座(11)固定在所述电路板前端面(103)上；所述图像传感器座(11)上具有与所述图像传感器芯片(12)相匹配的插孔；所述散热板(2)安装在所述图像传感器座(11)上，所述散热板(2)具有矩形通孔(21)、散热板前端面(23)和散热板后端面(24)，在两个所述矩形通孔(21)之间设有横梁(22)，在所述散热板后端面(24)上所述横梁(22)的两侧设有凹槽，所述图像传感器座(11)卡在所述凹槽中；所述图像传感器座(11)的所述插孔位于所述矩形通孔(21)内，所述插孔端面与所述散热板前端面(23)平齐，所述图像传感器芯片(12)的引脚插针在所述矩形通孔(21)内插入所述插孔中，与所述图像传感器座(11)相连；所述图像传感器板(1)将所述散热板(2)压装在所述机壳前盖(4)上，所述漏铜区域(105)紧贴所述机壳前盖(4)平面。
2.根据权利要求1所述的大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述散热结构还包括导热硅胶垫(3)，所述导热硅胶垫(3)粘贴在所述散热板(2)上，并与所述图像传感器芯片(12)相接触。
3.根据权利要求2所述的大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述导热硅胶垫(3)为柔性导热材料。
4.根据权利要求2所述的大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述导热硅胶垫(3)粘贴在所述散热板前端面(23)所述横梁(22)的中间区域。
5.根据权利要求1所述的大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述机壳前盖(4)上端面向内凹进，从外向内依次形成上平面(41)、中间平面(42)和底平面(43)；安装后，所述底平面(43)与所述图像传感器芯片(12)相匹配，所述散热板(2)与所述中间平面(42)紧密贴合，所述图像传感器板(1)的所述漏铜区域(105)与所述上平面(41)紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的大靶面图像传感器的散热结构，其特征在于，所述图像传感器板(1)设置两个GND层，所述图像传感器芯片(12)的GND引脚与所述GND层连接。
7.一种具有散热结构的大靶面相机，其特征在于，所述相机包括散热结构、主电路板、机壳后盖(5)和机壳框(6)；所述散热结构为上述权利要求2至4中任一项所述的散热结构；所述图像传感器电路板(10)与所述主电路板相连接，所述机壳后盖(5)用于固定所述主电路板和外部信号接口；
所述机壳前盖(4)通过所述机壳框(6)与所述机壳后盖(5)相连，在所述相机中，所述机壳前盖(4)、所述图像传感器芯片(12)、所述导热硅胶垫(3)、所述散热板(2)、所述图像传感器座(11)、所述图像传感器电路板(10)、所述主电路板和所述机壳后盖(5)依次连接。
8.根据权利要求7所述的具有散热结构的大靶面相机，其特征在于，所述主电路板与所述机壳后盖(5)之间也设有所述导热硅胶垫(3)。
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