CN207115002U - 一种相机感光芯片的散热装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种相机感光芯片的散热装置，包括导热板、半导体制冷片、水冷散热器和水冷压片；导热板的正面与感光芯片背面贴合；导热板的背面设置有第一安装槽，半导体制冷片位于第一安装槽内，第一安装槽的底部与半导体制冷片的冷端面贴合；导热板的背面还设置有第二安装槽，第二安装槽内设置有温度传感器；半导体制冷片的冷端面与温度传感器贴合；水冷散热器包括水冷头和水冷管；水冷头与半导体制冷片的热端面贴合；第一安装槽的槽口四周设置有水冷头定位槽；水冷头通过水冷压片固定于导热板上。本申请能精确控制感光芯片的工作温度，提高散热效率，不会对成像系统产生干扰，使感光芯片保持良好的性能，节约相机内部空间，有利于相机拼接布局。

Description

一种相机感光芯片的散热装置

技术领域

本申请涉及相机技术领域，特别涉及一种相机感光芯片的散热装置。

背景技术

高灵敏相机是一款通过阵列安装实现图像拼接和样本检测的高性能相机，通常采用具有高灵敏度感光芯片。高灵敏度感光芯片的工作性能直接影响相机的成像效果，因此，需要对高灵敏度感光芯片的工作温度进行严格控制。例如，对于具有高灵敏度的sCMOS感光芯片，正常工作环境为23℃恒温，由于其功耗高、发热量大，需要将温度变化控制在10℃以内，使其保持良好的工作性能，因此，在sCMOS感光芯片工作过程中，需要进行散热处理，实现对sCMOS感光芯片工作温度的精确控制。

现有的感光芯片散热方式主要分为被动散热和主动散热。其中，被动散热是在不借助其他辅助散热的情况下，仅使感光芯片与散热片、或机械结构件接触，通过热传导带走感光芯片上积聚的热量。主动散热可以分为风冷散热、水冷散热、液冷散热和半导体制冷片散热等。风冷散热是目前相机结构设计中最常见且使用率最高的一种散热方式，风冷散热器是利用风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热空气，实现对流散热；水冷散热是利用水(液冷散热是利用其他散热液体)的不断循环，通过热对流带走感光芯片多余的热量；半导体制冷片是一个热传递的工具，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，热量就会从半导体制冷片的一端转移到另一端，从而产生温差形成冷端和热端。

采用被动散热的方式，虽然可以简化相机结构，节省相机内部空间，但散热慢，且不便于对感光芯片工作温度的精确控制，无法满足高灵敏度感光芯片的散热要求，会影响感光芯片的成像效果甚至烧坏感光芯片。主动散热方式中，一方面，每种散热器都各自存在一些问题，可能影响感光芯片的成像效果，甚至导致感光芯片损坏，比如，风冷散热器中，风扇发出的噪声会对相机成像产生干扰；水冷散热器和液冷散热器可能发生液体泄漏，导致感光芯片和相机中其他元器件烧坏；半导体制冷片不宜长时间通电，否则可能因过热而烧毁。另一方面，主动散热的方式同样无法精确控制感光芯片的工作温度，故无法满足高灵敏度感光芯片的散热要求。

实用新型内容

本申请提供一种相机感光芯片的散热装置，以解决现有散热装置无法对高灵敏相机中的感光芯片进行有效散热和精确控温的问题。

根据本申请的实施例，提供一种相机感光芯片的散热装置，包括：导热板、半导体制冷片、水冷散热器和水冷压片；

所述导热板的正面与感光芯片背面贴合；

所述导热板的背面设置有第一安装槽，所述半导体制冷片位于所述第一安装槽内，所述第一安装槽的底部与所述半导体制冷片的冷端面贴合；

所述导热板的背面还设置有第二安装槽，所述第二安装槽内设置有温度传感器；

所述半导体制冷片的冷端面与所述温度传感器贴合；

所述水冷散热器包括水冷头和与所述水冷头连接的水冷管；

所述水冷头与所述半导体制冷片的热端面贴合；

所述第一安装槽的槽口四周设置有水冷头定位槽；

所述水冷头通过所述水冷压片固定于所述导热板上。

可选地，所述散热装置还包括导热连接件，所述导热连接件通过所述水冷压片固定于所述水冷头上。

可选地，所述导热连接件包括导热底板和与所述导热底板相垂直的导热侧板；所述导热底板上均匀设置有若干定位销；所述水冷压片上设置有若干与所述定位销配合的定位孔。

可选地，所述水冷头与所述水冷管一体成型。

可选地，所述导热板的正面设置有芯片贴合台。

可选地，所述导热板设置有若干水冷压片安装孔；所述水冷压片上设置有与若干与所述水冷压片安装孔匹配的导热板安装孔；所述导热板还设置有若干均匀分布的相机前壳安装孔。

可选地，所述半导体制冷片的冷端面与所述导热板的背面通过导热硅脂贴合；所述水冷头与所述半导体制冷片的热端面通过导热硅胶片贴合。

可选地，所述导热板、所述水冷头和所述水冷压片均采用紫铜材料。

由以上技术方案可知，本申请提供的一种相机感光芯片的散热装置，导热板的正面与感光芯片背面贴合，感光芯片工作时产生的热量经过导热板传递至半导体制冷片，由半导体制冷片的冷端进行制冷，水冷散热器对半导体制冷片的热端进行散热处理，温度传感器用于实时测量半导体制冷片冷端的温度，实现对半导体制冷片表面温度的精确控制，从而达到精确控制感光芯片工作温度的目的。本申请提供的散热装置既保证了半导体制冷片不会因过热而烧毁，又能通过调节半导体制冷片冷热端的温差来精确控制感光芯片的工作温度，实现感光芯片的有效散热，提高散热效率，使感光芯片保持良好的工作性能，且不会对相机的成像系统产生干扰，保证了高灵敏相机的性能。此外，本申请提供的散热装置安装灵活方便，在满足指标参数和结构布局要求的基础上，尽可能节约相机内部空间，有利于相机结构的拼接布局。

附图说明

图1为本申请实施例示出的一种相机感光芯片的散热装置的结构示意图；

图2为本申请实施例示出的一种相机感光芯片的散热装置的剖面图；

图3为本申请实施例示出的导热板的正面结构示意图；

图4为本申请实施例示出的导热板的背面结构示意图；

图5为本申请实施例示出的水冷散热器的结构示意图；

图6为本申请实施例示出的一种相机感光芯片的散热装置的安装示意图。

图例说明：1-导热板；11-第一安装槽；12-第二安装槽；13-温度传感器；14-水冷头定位槽；15-芯片贴合台；16-水冷压片安装孔；17-相机前壳安装孔；2-半导体制冷片；3-水冷散热器；31-水冷头；311-进水口；312-出水口；32-水冷管；321-进水管；322-出水管；4-水冷压片；41-定位孔；42-导热板安装孔；5-导热连接件；51-导热底板；511-定位销；52-导热侧板；6-电源温控综合板；7-感光芯片；71-芯片桥板；8-相机电源板；9-相机信号板；10-PCB散热结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1～图4所示，本申请实施例提供一种相机感光芯片的散热装置，包括导热板1、半导体制冷片2、水冷散热器3和水冷压片4。

导热板1的正面与感光芯片背面贴合，从而将感光芯片中的热量传导出去，便于后续对感光芯片进行散热处理。

可选地，导热板1的正面设置有芯片贴合台15，芯片贴合台15与感光芯片进行贴合，不仅便于散热装置的定位安装，还能使感光芯片产生的热量更加集中地传递至导热板1。

导热板1的背面设置有第一安装槽11，半导体制冷片2位于第一安装槽11内，第一安装槽11的底部与半导体制冷片2的冷端面贴合。感光芯片的热量经导热板1传递至半导体制冷片2，由半导体制冷片2的冷端进行制冷，从而降低感光芯片的工作温度。

导热板1的背面还设置有第二安装槽12，第二安装槽12内设置有温度传感器13，温度传感器13可选用热电偶，热电偶具有测量精度高、测量范围大、热响应时间快、耐高温、装配简单便于更换和使用寿命长等优点。

半导体制冷片2的冷端面与温度传感器13贴合，从而使温度传感器13能准确测量半导体制冷片2的冷端的温度，实现感光芯片工作温度的精确监测和控制。

第二安装槽12可以设置在第一安装槽11的底部，来实现半导体制冷片2的冷端面与温度传感器13贴合。通过设置第一安装槽11和第二安装槽12，有利于减少散热装置的尺寸，从而节省相机内部空间，有利于相机结构的拼接和布局。

水冷散热器3包括水冷头31和与水冷头31连接的水冷管32。

水冷头31与半导体制冷片2的热端面贴合，通过水冷散热器3对半导体制冷片2的热端面进行散热制冷。

第一安装槽11的槽口四周设置有水冷头定位槽14，水冷头31安装在水冷头定位槽14中，可以保证水冷头31与半导体制冷片2的热端面的更加充分贴合，有利于提高热量传递效率，增强水冷散热器的散热效果。

水冷头31通过水冷压片4固定于导热板1上。

可选地，导热板1设置有若干水冷压片安装孔16；水冷压片4上设置有与若干与水冷压片安装孔16匹配的导热板安装孔42；导热板1还设置有若干均匀分布的相机前壳安装孔17。

水冷压片4可通过螺钉固定在导热板1上，通过调节紧固件联接的松紧度，实现对整个散热装置的压力安装，以确保散热装置各部件之间的充分贴合或接触，提高整个散热装置的热量传递效率，增强散热效果，此外，通过水冷压片4对散热装置的各部件进行组装，可以提高散热装置的结构紧凑性、稳定性和可靠性，且便于散热装置的组装和拆卸，利于部件的维修和更换。

导热板1设置有若干均匀分布的相机前壳安装孔17，可通过螺钉将导热板1固定于相机前壳上，从而保证散热装置始终保持与感光芯片的充分接触，从而实现对感光芯片的有效散热和精确控温。

本申请中，为保证感光芯片在工作过程中保持良好的性能，应对半导体制冷片2进行技术参数的估算，以实现半导体制冷片2的合理选型。本实施例中，以具有高灵敏度的sCMOS感光芯片为例，需要通过散热，将sCMOS感光芯片的工作温度控制在23℃±10℃的范围内，则通过如下估算方式：

(1)半导体制冷片输入电流(A)为4A；

(2)半导体制冷片输入电压(V)为12V；

(3)最大制冷量输入功率＝12×4＝48W，设紫铜在良好散热时的热阻＜0.5℃/W；

(4)半导体制冷片散热温度为48W×0.5℃/W＝24℃，假设实验室环境恒温，并按30℃计算，则水冷散热器最高温度为：24℃+30℃，热负载控制温度为10℃，则半导体制冷片最大温差为44℃。

可得，采用TEC12705型号的半导体制冷片，输入电功率48W时，可将sCMOS相机焦面温度控制在23℃±10℃，从而使sCMOS感光芯片具有最优的工作性能，有利于实现sCMOS感光芯片的有效散热和精确控温。针对其他种类和型号的高灵敏度感光芯片，可根据感光芯片的工作温度和散热条件，通过上述技术参数估算的方式，选取适用的半导体制冷片。

为了充分发挥半导体制冷片2的制冷效果，在半导体制冷片2的热端面增设散热器，为了减小外界抖动对相机成像质量的影响和干扰，本申请采用水冷散热器3对半导体制冷片2的热端面进行散热。

如图5所示，水冷散热器3包括水冷头31和与水冷头31连接的水冷管32，其中，水冷头31包括进水口311和出水口312，水冷管32包括进水管321和出水管322，进水管321与水冷头31的进水口311连接，出水管322与水冷头31的出水口312连接，进水管321与水泵出水口连接，出水管322与水泵进水口连接，通过水泵控制水冷头内部水流速度，实现水流循环，通过热对流带走半导体制冷片2的热端面的热量。

可选地，为防止水冷头31与水冷管32接头处产生泄漏，本申请还可将水冷头31与水冷管32设计为一体成型结构，即可通过焊接等的方式将进水管321与水冷头31的进水口311固定连接成一体，将出水管322与水冷头31的出水口312固定连接成一体，从而避免由于水泄漏导致感光芯片及相机中其他原件器烧毁，提高了散热装置的可靠性。

水冷头31的表面可采用镜面结构，以保证水冷头31与散热面的充分接触，有利于提高热量传递效率，增强水冷散热器的散热效果。水冷头31的进水口311和出水口312设置在同一端面，有利于节省相机内部空间，有利于相机结构的拼接和布局。

可选地，导热板1、水冷头31和水冷压片4均采用紫铜材料。紫铜(纯铜)的导热系数为398W/m.K，相较于其他导热材料，如黄铜的导热系数为109W/m.K，纯铝的导热系数为237W/m.K，紫铜的导热系数较高，因此导热板1、水冷头31和水冷压片4选取紫铜作为导热材料，可以有效提高散热装置的导热效率，从而增强散热效果。

可选地，半导体制冷片2的冷端面与导热板1的背面通过导热硅脂贴合；水冷头31与半导体制冷片2的热端面通过0.3mm导热硅胶片贴合。导热硅脂和导热硅胶片能有效填充接触缝隙，充分完成发热部位与导热部位的热量传递，提高散热效果，同时还起到减震、绝缘和密封等作用。

本申请提供的散热装置的工作原理为：导热板1的正面与感光芯片背面贴合，感光芯片工作时产生的热量经过导热板1传递至半导体制冷片2，由半导体制冷片2的冷端进行制冷，水冷散热器3对半导体制冷片2的热端进行散热处理，期间由温度传感器13实时测量半导体制冷片2冷端的温度，实现对半导体制冷片2表面温度的精确控制，从而达到精确控制感光芯片工作温度的目的。当半导体制冷片2的冷热端达到一定温差时，半导体制冷片2内部热量传递就会达到平衡，此时，冷热端的温度就不会继续发生变化。采用水冷散热器3来降低半导体制冷片2的热端温度，进一步改变半导体制冷片2的冷热端温差，从而使半导体制冷片2的冷端达到更低的温度，通过温度传感器13监测半导体制冷片2的冷端温度，从而使感光芯片在所需温度下工作，保证高灵敏相机的性能。

本申请提供的散热装置既保证了半导体制冷片2不会因过热而烧毁，又能通过调节半导体制冷片2冷热端的温差来精确控制感光芯片的工作温度，实现感光芯片的有效散热，提高散热效率，使感光芯片保持良好的工作性能，且不会对相机的成像系统产生干扰。此外，本申请提供的散热装置安装灵活方便，在满足指标参数和结构布局要求的基础上，尽可能节约相机内部空间，有利于相机结构的拼接布局。

图6为本申请实施例示出的一种相机感光芯片的散热装置的安装示意图，如图6所示，在相机壳体内，感光芯片7的背面安装有芯片桥板71，芯片桥板71焊接在PCB(PrintedCircuit Board，印制电路板)表面，因此，可将PCB挖空，实现感光芯片7的背面与散热装置的导热板1直接接触和贴合。在导热板1的正面设置有芯片贴合台15时，在芯片贴合台15的四周形成凹槽，此时，芯片桥板71位于形成的凹槽内，感光芯片7与芯片贴合台15进行贴合，在保证感光芯片7与散热装置充分贴合的同时，还能减少散热装置所占用的相机内部空间，有利于相机结构的拼接布局。

导热板1、半导体制冷片2和水冷头31全部平行于感光芯片7安装，保证具有最大的散热接触面积，提高热量传递效率，进而增强散热效果。水冷管32固定于相机壳体上，保证散热装置安装的稳固性，以及保证散热装置与感光芯片7的充分接触。

相机内部空间中，在散热装置和感光芯片7占用的空间之外，可设置电源温控综合板6、相机电源板8、相机信号板9和PCB散热结构10等元器件。其中，电源温控综合板6用于为散热装置提供电源、接收和处理温度传感器13的检测信号、控制散热装置的工作进程等，实现感光芯片7的工作温度的集中监测和精确控制，从而保证高灵敏相机的工作性能。

可选地，散热装置还包括导热连接件5，导热连接件5通过水冷压片4固定于水冷头31上。导热连接件5与PCB散热结构10相连接，将PCB上发热器件产生的热量传导至水冷头31上，从而实现对PCB及PCB上各发热器件的散热和制冷。

具体地，导热连接件5包括导热底板51和与导热底板51相垂直的导热侧板52；导热底板51上均匀设置有若干定位销511；水冷压片4上设置有若干与定位销511配合的定位孔41。PCB散热结构10与导热底板51和导热侧板52充分接触，增大了导热连接件5与PCB散热结构10的散热接触面积；通过定位销511和定位孔41的配合，来确定导热连接件5的安装位置，并使导热连接件5通过水冷压片4与水冷头31充分接触，提高热量传递效率，在为感光芯片7进行有效散热和精确控温的同时，还能为相机内部PCB及PCB上各发热器件进行散热，从而提高了相机结构的散热效果。

应当理解的是，本申请实施例提供的散热装置的安装方式仅仅是示例性的，基于本申请实施例提供的相机感光芯片的散热装置，在保证散热装置与感光芯片7充分贴合且不影响相机成像的前提下，可灵活设置相机中其他元器件的安装位置和相机结构的拼接布局。

由以上技术方案可知，本申请提供的一种相机感光芯片的散热装置，导热板的正面与感光芯片背面贴合，感光芯片工作时产生的热量经过导热板传递至半导体制冷片，由半导体制冷片的冷端进行制冷，水冷散热器对半导体制冷片的热端进行散热处理，温度传感器用于实时测量半导体制冷片冷端的温度，实现对半导体制冷片表面温度的精确控制，从而达到精确控制感光芯片工作温度的目的。本申请提供的散热装置既保证了半导体制冷片不会因过热而烧毁，又能通过调节半导体制冷片冷热端的温差来精确控制感光芯片的工作温度，实现感光芯片的有效散热，提高散热效率，使感光芯片保持良好的工作性能，且不会对相机的成像系统产生干扰，保证高灵敏相机的性能。此外，本申请提供的散热装置安装灵活方便，在满足指标参数和结构布局要求的基础上，尽可能节约相机内部空间，有利于相机结构的拼接布局。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、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实用新型的一般性原理并包括本实用新型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，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型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。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种相机感光芯片的散热装置，其特征在于，包括：导热板(1)、半导体制冷片(2)、水冷散热器(3)和水冷压片(4)；

所述导热板(1)的正面与感光芯片背面贴合；

所述导热板(1)的背面设置有第一安装槽(11)，所述半导体制冷片(2)位于所述第一安装槽(11)内，所述第一安装槽(11)的底部与所述半导体制冷片(2)的冷端面贴合；

所述导热板(1)的背面还设置有第二安装槽(12)，所述第二安装槽(12)内设置有温度传感器(13)；

所述半导体制冷片(2)的冷端面与所述温度传感器(13)贴合；

所述水冷散热器(3)包括水冷头(31)和与所述水冷头(31)连接的水冷管(32)；

所述水冷头(31)与所述半导体制冷片(2)的热端面贴合；

所述第一安装槽(11)的槽口四周设置有水冷头定位槽(14)；

所述水冷头(31)通过所述水冷压片(4)固定于所述导热板(1)上。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置还包括导热连接件(5)，所述导热连接件(5)通过所述水冷压片(4)固定于所述水冷头(31)上。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述导热连接件(5)包括导热底板(51)和与所述导热底板(51)相垂直的导热侧板(52)；所述导热底板(51)上均匀设置有若干定位销(511)；所述水冷压片(4)上设置有若干与所述定位销(511)配合的定位孔(41)。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述水冷头(31)与所述水冷管(32)一体成型。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述导热板(1)的正面设置有芯片贴合台(15)。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述导热板(1)设置有若干水冷压片安装孔(16)；所述水冷压片(4)上设置有与若干与所述水冷压片安装孔(16)匹配的导热板安装孔(42)；所述导热板(1)还设置有若干均匀分布的相机前壳安装孔(17)。

7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述半导体制冷片(2)的冷端面与所述导热板(1)的背面通过导热硅脂贴合；所述水冷头(31)与所述半导体制冷片(2)的热端面通过导热硅胶片贴合。

8.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述导热板(1)、所述水冷头(31)和所述水冷压片(4)均采用紫铜材料。