KR102565207B1 - 기계적 내충격성 인쇄 회로 기판(pcb)을 위한 장착 시스템 - Google Patents

기계적 내충격성 인쇄 회로 기판(pcb)을 위한 장착 시스템 Download PDF

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Abstract

내충격성 동체 시스템은 제1 및 제2 동체 측벽들(804, 806) 각각이 복수의 가이드 포스트들(802, 1006)을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들(804, 806) 및 PCB(800)가 복수의 가이드 슬롯들(1008)을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들(804, 806) 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는 인쇄 회로 기판(PCB)(800)을 포함하며, 복수의 가이드 포스트들(802, 1006) 각각은 PCB(800)의 탄성 변형이 제1 및 제2 동체 측벽들(804, 806) 사이의 가이드 슬롯들(1008)에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들(1008) 중 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 안착된다.

Description

기계적 내충격성 인쇄 회로 기판(PCB)을 위한 장착 시스템
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 3월 19일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/135,615호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장하며, 그 내용들은 이로써 모든 목적들을 위해 본원에 참조로 통합된다.
본 발명의 분야는 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)) 상에 장착되는 구성요소들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기계적 충격을 받는 PCB 어셈블리들에 관한 것이다.
인쇄 회로 기판들(printed circuit boards(PCBs)은 일상적인 사용이든 사고들을 통해서든지 간에, 가속을 야기하는 갑자기 인가된 힘들로 인해 기계적 충격을 받을 수 있다. 이와 같은 힘들은 PCB 상에 장착되는 전기적 구성요소들 또는 이에 대한 그들의 연결들과 양립할 수 없는 PCB의 탄성 변형을 야기할 수 있다.
전기적 구성요소들을 장착하고 있는 PCB들 상에 갑자기 인가된 힘들의 효과들을 완화시키기 위한 필요성이 존재한다.
내충격성 동체 시스템은 제1 및 제2 동체 측벽들 각각이 복수의 가이드 포스트들을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들 및 PCB가 복수의 가이드 슬롯들을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함할 수 있으며, 복수의 가이드 포스트들 각각은 PCB의 탄성 변형이 제1 및 제2 동체 측벽들 사이의 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 안착된다. 제1 및 제2 동체 측벽들은 단일 동체 클램 쉘의 제1 및 제2 동체 측벽들일 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들 각각의 주 종방향 축은 제1 및 제2 동체 측벽들의 주 종방향 축과 평행하게 연장될 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들 각각의 주 종방향 축(longitudinal axis)은 제1 및 제2 동체 측벽들의 주 종방향 축과 평행하게 연장될 수 있다. PCB는 PCB 보드의 전방에서 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착될 수 있다. PCB는 PCB 보드의 후방에서 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착될 수 있다. 시스템은 또한 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함할 수 있으며, 복수의 전기적 구성요소들 각각은 그들의 주 종방향 축이 제1 및 제2 동체 측벽들 각각의 주 종방향 축에 수직으로 배향된 채로 장착된다. 시스템은 복수의 전기적 구성요소들 중 더 큰 비율의 더 큰 전기적 구성요소들이 PCB 후방 단부보다 PCB 전방 단부에 장착되도록 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함할 수 있다.
내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)) 장착 시스템은 복수의 가이드 슬롯들을 갖는 PCB 보드 및 PCB 보드에 견고하게 결합되고 복수의 가이드 포스트들을 갖는 프레임을 포함할 수 있으며, 복수의 가이드 포스트들 중 각각의 포스트는 PCB의 탄성 변형이 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 안착된다. 이와 같은 실시예들에서, 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯의 주 종방향 축은 PCB의 주 종방향 축과 평행하게 연장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프레임은 PCB의 중심 영역에서 PCB 보드에 견고하게 결합될 수 있고, 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯의 주 종방향 축은 PCB의 중심 영역을 향하여 방사상으로 연장될 수 있다. 다른 실시예들에서, 프레임은 단일 동체 클램 쉘의 제1 및 제2 동체 측벽들을 포함할 수 있다.
내충격성 인쇄 회로 기판(PCB)의 방법은 제1 방향으로 PCB에 가속을 유도하는 단계, 가속 동안에 PCB의 일 단부에 PCB를 견고하게 구속하는 단계, 및 PCB가 일 단부로부터 떨어져 있는 PCB 지점들에서 감소된 피크 가속(peak acceleration)을 경험하도록 제1 방향을 따라 PCB의 탄성 변형을 안내하는 단계를 포함할 수 있다. 일 단부에 PCB를 견고하게 구속하는 단계는 PCB를 무인 항공기 동체에 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.
내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB))은 복수의 가이드 포스트들을 수용하기 위한 복수의 가이드 슬롯들 및 PCB의 탄성 변형이 복수의 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 적어도 하나의 고정된 포스트를 수용하기 위한 적어도 하나의 장착 홀을 포함할 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, PCB는 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함할 수 있고, PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 적어도 하나의 장착 홀로부터 원위에 장착되도록 배열된다. 이와 같은 실시예들에서, PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 작은 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들보다 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 장착되도록 배열될 수 있다. PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들은 적어도 하나의 장착 홀로부터의 거리에 대한 구성요소 밀도에 기초하여 배열될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, 복수의 전기적 구성요소들 중 리드된 집적 회로(integrated circuit(IC)) 구성요소는 복수의 전기적 구성요소들 중 세라믹 구성요소들보다 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 배치될 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들은 수용된 복수의 가이드 포스트들이 축의 방향으로만 슬라이딩할 수 있고 직각으로 슬라이딩하는 것이 억제되도록 배열될 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들은 적어도 하나의 장착 홀을 향하여 정렬될 수 있다. 적어도 하나의 장착 홀은 PCB의 중심 장착 지점에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 장착 홀은 PCB의 질량의 중심에 배치될 수 있다. PCB는 원형일 수 있어서, 복수의 가이드 슬롯들 각각은 적어도 하나의 장착 홀에 대해 비틀림 변형을 갖는, PCB에 대해 원주방향으로 지향되는 각각의 장축(major axis)을 가질 수 있다.
도면들 내의 구성요소들은 반드시 축척에 따라 도시되는 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 원리들을 예시할 시에 강조될 수 있다. 동일한 참조 번호들은 상이한 도면들 도처에서 대응하는 부분들을 지정한다. 실시예들은 첨부 도면들의 도형들에서 제한이 아닌 예로 예시된다.
도 1 및 도 2는 각각 발사 튜브로부터 발사되는 무인 항공기(unmanned aerial vehicle(UAV))에서 사용되는 내충격성 장착 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB))의 사전 발사 및 발사 중 실시예들의 측 단면도들이다.
도 3은 내부의 내충격성 PCB가 파선들로 표시되는, UAV의 동체 내에서 내충격성을 위해 장착되는 PCB를 사용하는 평면도이다.
도 4, 도 5, 및 도 6은 내충격성 PCB 시스템을 생성하기 위해 축방향 하중 하에서 탄성적으로 변형되는 것이 허용되는 PCB를 갖는 프레임(예컨대 동체 측벽들)에 의해 지지되는 3개의 상이한 실시예들의 상단 단면도들이다.
도 7a는 급격한 가속 동안에 PCB의 탄성 압축이 파선들로 표시되는, PCB의 일부분의 평면도이다.
도 7b는 내부의 기계적-내충격성 PCB 시스템을 지지하는 UAV의 상부 및 하부 동체 선반들의 형태의 프레임의 일 실시예에 대한 분해 사시도이다.
도 8은 UAV 동체의 좌측 및 우측 사이드 레일들 사이에 결합되는 단일 PCB를 갖는 기계적-내충격성 PCB 시스템의 일 실시예의 정 단면도이다.
도 9는 적층된 방향으로 좌측 및 우측 사이드 레일들 사이에 결합되는 2개의 PCB들을 갖는 기계적-내충격성 PCB 시스템의 다른 실시예의 정 단면도이다.
도 10은 기계적-내충격성 PCB 시스템 및 횡력 하중들(화살표들로 표시됨)을 예시하는 일 실시예의 상단 사시도이다.
도 11은 개인용 랩톱 컴퓨터로서 구체화되는 소비자 전자 제품에 사용하기 위한 기계적-내충격성 PCB의 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 파선들로 표시되는 힘 하중으로 인한 탄성 변형을 갖는, 범용 사용을 위한 기계적-내충격성 PCB의 일 실시예의 평면도이다.
도 13은 고정된 장착 지점 및 급격한 각 가속(화살표에 의해 표시됨) 동안에 사용하기 위한 가이드 포스트를 각각 수용하는 가이드 슬롯들을 갖는 PCB의 다른 실시예의 평면도이다.
도 14a는 압축 변위 대 PCB 구성요소 위치를 예시하는 그래프이다.
도 14b는 그것의 원위 단부에 2개의 고정된 장착 지점들을 갖는 PCB 상의 다양한 구성요소 폭들, 길이들 및 그들의 PCB 배치를 예시하는 사시도이다.
도 14c는 전기적 구성요소 폭(Dw) 대 고정된 장착 지점들로부터의 거리를 도시하는 그래프이다.
도 15는 근위 단부에서 동체에 견고하게 결합되고 근위 위치로부터 떨어져 있는 복수의 포인트들에 탄성적으로 결합되는 PCBA 보드를 도시하는 단순화된 오버헤드 평면도이다.
시스템의 급격한 가속에 의한 것과 같은, PCB 보드, 장착된 구성요소들에, 그리고 PCB를 지지하는 프레임 상에 갑자기 인가되는 힘들의 효과를 완화시키는 기계적-내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)) 시스템이 설명된다. PCB는 급격한 하중들에 응답하여 프레임을 억제하기 위해 구조적 부재의 역할을 한다. 보다 구체적으로, 내충격성 PCB 시스템은 복수의 가이드 슬롯들을 갖는 PCB 보드, 및 PCB 보드에 견고하게 결합되고 복수의 가이드 포스트들을 갖는 프레임을 포함하며, 복수의 가이드 포스트들 중 각각의 포스트는 PCB의 탄성 변형이 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 안착된다.
도 1, 도 2 및 도 3은 발사 튜브로부터 발사되는 무인 항공기(unmanned aerial vehicle(UAV))에서 사용되는 내충격성 PCB 시스템의 일 실시예를 예시한다. UAV(100)는 발사를 위한 준비에서 UAV 발사 튜브(104)의 내부(102)에 안착되어 있는 것으로 예시된다. 예시된 UAV(100)는 그들의 수납된 위치들에 있는 날개들(106) 및 후방 수평 안전판들(108), 및 UAV(100)에 대한 동체(114)를 집합적으로 형성하는 상부 및 하부 동체 측벽들(110, 112)을 갖는다. 상부 및 하부 동체 측벽들(110, 112)은 또한 PCB(116)의 지지를 위한 프레임의 역할을 할 수 있으며, PCB(116)는 상부 또는 하부 동체 측벽들(110, 112) 중 하나로부터 연장되는 적어도 하나의 후방 가이드 포스트(118)에 견고하게 결합된다. PCB는 또한 각각의 복수의 PCB 가이드 슬롯들(300)을 통해 연장되는 복수의 전방 가이드 포스트들(120)에 의해 슬라이드 가능하게 안내된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전방(forward)"은 급격한 가속의 방향이다.
발사 퍽(126)의 고압 측면(124) 상에서 작동되는 가스 발생기들(122)은 정상 하중들이 600g에 접근하는, 중력 가속도("g")의 천 배에 접근할 수 있는 고-중력("high-G") 발사로 내부(102)를 통해 발사 퍽(126), UAV(100) 및 연관된 상부 및 하부 동체 측벽들(110, 112)을 위로 추진시키는 고압 가스(200)를 생성할 수 있다. PCB 보드(116)는 또한 후방 가이드 포스트(118)에 결합됨에 따라, 동체 내에서 UAV와 함께 가속하도록 유도된다. 그러나, 후방 가이드 포스트(118)의 PCB 전방의 그러한 부분은 PCB가 고-중력("high-G") 발사로 인해 탄성 변형을 경험함에 따라 복수의 PCB 가이드 슬롯들(300)이 각각의 전방 가이드 포스트들(120)이 슬라이드딩 하는 것을 허용함으로써, UAV에 의해 경험되는 가속력들로부터 부분적으로 분리된다.
발사 후에(도 3 참조), UAV(100) 및 PCB(116)는 현저한 가속력들을 경험하지 못하고 PCB(116)는 전방 가이드 포스트들(120)에 의해 지지되고 안내됨에 따라 그것의 공칭 탄성 상태로 복귀한다.
도 4, 도 5, 및 도 6은 프레임(예컨대 동체 측벽들)에 의해 지지되는 PCB의 3개의 상이한 실시예들을 도시하며 PCB는 축방향 하중(axial load) 하에 탄성적으로 변형되는 것이 허용되고 동시에 PCB를 지지하는 프레임의 내하력(load-carrying capacity)을 향상시킨다. 도 4에서, PCB(400)는 프레임(406, 408)에 견고하게 결합되는 한 쌍의 중간 가이드 포스트들(404)에 의해 그것의 중심에서 견고하게 지지된다. 프레임(406, 408)은 단일 구조일 수 있거나 서로 견고하게 결합되는 복수의 구조들로 형성될 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들(410)은 그것의 측면들 상에서 PCB(400)에 형성되며, 바람직하게는 PCB(400)의 두께를 통해 연장된다. 각각의 가이드 슬롯(410)은 프레임 (406, 408)에 견고하게 연결되는 각각의 복수의 포스트들(412)을 수용하기 위해 PCB(400)의 주 종방향 축(longitudinal axis)(X-축)과 정렬되는 그것의 주 종방향 축을 갖는다. 가이드 포스트들(412) 및 가이드 슬롯들(410)은 가이드 포스트들이 축의 방향으로만(즉, X-축을 따라서) 슬라이딩할 수 있고, 직각으로(Y-축) 슬라이딩하는 것이 제한되도록 크기가 정해질 수 있다. 이러한 방식으로, 급격한 가속이 축 방향(X-축)으로 프레임(406, 408)에 인가되는 경우, 축방향 하중은 한 쌍의 가이드 포스트들(404)을 통해 PCB(400)에 전달되고, 전방 및 후방 세그먼트들(414, 416)은 각각 그들의 각각의 가이드 슬롯들(410) 내의 복수의 가이드 포스트들(412)에 의해 그들의 가속-유도된 축방향 압축 및 장력 동안에 축의 방향으로 안내된다. 프레임의 양 측면들(406, 408)은 또한 (측면들에 견고하게 결합된) 가이드 포스트들(412)이 가이드 슬롯들(412) 내에서 측면으로 구속되기 때문에 축방향 하중으로 인해 달리 발생할 수 있는 버클링(Y-축)에 대해 지지된다. 다시 말해, 프레임(406, 408)의 측면 팽창(lateral expansion)은 포스트들이 PCB(400)의 가이드 슬롯들(410)에 의해 Y-축으로의 이동이 구속됨에 따라 억제된다. 예시된 예에서, PCB는 가이드 슬롯들이 PCB가 축 방향으로 탄성적으로 변형하는(병진하는) 것을 허용하기 때문에 프레임 상에 작용하는 축방향 가속력들로부터 부분적으로 분리된다. 양의(positive) X 방향으로의 급격한 가속 및 중간-가이드 포스트들(404)에 의해 견고하게 고정되는 PCB의 경우, 전방 세그먼트(414)는 탄성 압축을 경험할 것이고 후방 세그먼트(416)는 인장시에 탄성 변형을 경험할 것이다.
도 5에서, PCB(500)는 프레임(505)에 견고하게 결합되는 한 쌍의 후방 가이드 포스트들(504)을 갖는 원위 단부(502)에서 견고하게 지지된다. 프레임(505) 은 UAV 동체의 상부 또는 하부 섹션 중 하나와 같은 단일 구조일 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들(506)은 PCB의 측면들을 따라 연장되는 한 쌍의 후방 가이드 포스트들(504)의 전방에 형성된다. 가이드 슬롯들(506) 각각은 PCB(500)의 주 종방향 축(X-축)과 정렬되는 그것의 주 종방향 축들을 갖고 프레임(505)에 견고하게 연결되는 각각의 가이드 포스트(508)를 수용할 수 있다. 가이드 포스트들(508) 및 가이드 슬롯들(506)은 가이드 포스트들이 축의 방향으로만 (즉, X-축을 따라) 슬라이딩할 수 있고 가이드 슬롯들(506)이 가이드 포스트들(508)의 측면 이동을 구속하도록 크기가 정해질 수 있다. 동작 동안에, 축 방향(X-축)으로 프레임 (406, 408)에 대한 급격한 가속의 인가는 한 쌍의 후방 가이드 포스트들(504)을 통해 PCB(400)에 전달되는 축방향 하중을 야기하고, 중간 및 전방 세그먼트들(510, 512)은 그들의 각각의 가이드 슬롯들(506) 내의 복수의 가이드 포스트들(508)에 의해 그들의 각각의 가속-유도된 축방향 압축 동안에 축의 방향으로 안내된다. 프레임(505)의 양 측면들은 또한 버클링(Y-축)에 대해 지지된다.
도 6은 결합된 한 쌍의 강성 전방 가이드 포스트들(604)에 의해 그것의 전방 단부에서 견고하게 지지되는 PCB(600)를 예시한다. 도 4 및 도 5와 유사하게, PCB의 종방향 측면들(longitudinal sides)을 따라 형성되는 가이드 슬롯들(606)은 가이드 슬롯들(606)에 의해 수용되는 가이드 포스트들(608)이 그것이 축방향 하중 하에 있는 동안에 프레임의 버클링을 억제하는 동시에 프레임(610)에 의해 경험되는 가속을 부분적으로 분리시키는 역할을 하는 것을 보장하기 위해 PCB(600)의 장축(major axis)과 정렬되는 그들 각각의 장축들을 갖는다. 양의(positive) X 방향으로의 급격한 가속 및 전방 가이드 포스트들(604)에 의해 견고하게 유지되는 PCB의 경우, 전방, 중간 및 후방 세그먼트들(602, 612, 614)은 인장(연장) 탄성 변형을 경험할 것이다.
도 7a는 급격한 가속 동안에 PCB의 탄성 압축을 더 양호하게 예시하는 근접도이며, 전방 및 측면 탄성 변형은 PCB에 형성되는 가이드 슬롯들을 통해 연장되는 강성 가이드 포스트들에 의해 안내된다. PCB(700)는 한 쌍의 강성 후방 가이드 포스트들(702)를 통해 프레임(미도시)에 견고하게 결합될 수 있다. 전방 가이드 포스트들(704)은 또한 프레임에 견고하게 연결되고, PCB의 종방향 측면들(708, 710)을 따라 배치되는 가이드 슬롯들(706)을 통해 연장된다. 가이드 슬롯들의 각각의 장축들은 X-축을 따라 배향되며(도 7 참조), X-축은 급격한 가속의 미리 결정된 축과 일치한다. 정상 상태 및 프레임의 공칭 가속 하에서, PCB(700), 가이드 슬롯들(706) 및 전방 가이드 포스트들(704)은 실선들로 표시되는 구성을 취한다. 강성 후방 가이드 포스트들(702)에 X-축으로 인가되는 양의 힘을 통한 것과 같은 급격한 가속의 인가시에, PCB는 파선들(712)에 의해 표시되는 바와 같은 탄성 압축 변형을 경험할 것이다. 가이드 슬롯들(706)은 전방 가이드 포스트들(704)에 대해 PCB의 전방 단부의 축방향 압축을 억제하지 않는 반면에, 가이드 포스트들(704)에 부착되는 프레임이 버클링을 경험하기 시작하면 유도되는 것과 같은 서로를 향하거나 서로로부터 멀어지는 가이드 포스트들(704)의 임의의 측면 병진(translation)을 억제한다.
도 7b는 내부의 기계적-내충격성 PCB 시스템을 지지하는 UAV의 상부 및 하부 동체 선반들의 형태의 프레임에 대한 일 실시예의 분해 사시도이다. 하부 동체 선반(700a)은 포트 및 스타보드 사이드레일들(702a, 704a)을 가지며 각각은 그들로부터 연장되는 복수의 포스트들(706a)을 갖는다. PCB(708a)는 하부 동체 선반(700a)의 후방 부분(720a)으로부터 연장되는 상보적인 한 쌍의 가이드 포스트들(718a)을 수용하기 위해 후방 부분(716a)을 통해 연장되는 대향하는 종방향 측면들(712a, 714a) 상에 복수의 홀들(710a)을 갖는다. 복수의 가이드 슬롯들(722a)은 복수의 가이드 포스트들(706a)을 수용하기 위해 PCB의 종방향 측면들(712a, 714a)을 따라 배치된다. 복수의 가이드 슬롯들(722a) 중 각각의 슬롯은 하부 동체 선반(700a)의 장축을 따라 배향되는 그들의 장축을 갖는다. 상부 동체 선반(724a)은 급격한 가속 동안에 PCB(708a)의 축방향 탄성 변형을 억제하는 것 없이 하부 동체 선반(700a)에 결합하도록 구성된다.
도 8은 UAV 동체의 좌측 및 우측 사이드 레일들 사이에 결합되는 단일 PCB를 갖는 기계적-내충격성 PCB 시스템의 일 실시예를 도시한다. PCB(800)는 연관된 사이드 레일(804, 806)에 견고하게 결합되고 그들로부터 연장되는 각각의 복수의 가이드 포스트들(802)을 수용하도록 크기가 정해진 복수의 가이드 슬롯들(미도시)을 갖는다. 가이드 슬롯들 각각은 사이드 레일들의 장축과 정렬되는 그들의 장축을 갖는다. 각각의 가이드 포스트(802)는 그것의 인접한 사이드 레일에 견고하게 결합된다.
도 9는 적층된 방향으로 좌측 및 우측 사이드 레일들 사이에 결합되는 2개의 PCB들을 갖는 기계적-내충격성 PCB 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 상단 및 하단 PCB들(900, 902)은 좌측 및 우측 사이드 레일들(904, 906) 사이에서 이격되고 일반적으로 평행한 평면들로 연장된다. 가이드 포스트들(908)의 상단 세트는 각각의 좌측 및 우측 사이드 레일들(904, 906)의 내부 측면들(910, 912)로부터 연장되고 상단 PCB의 가이드 슬롯들에 슬라이드 가능하게 결합한다. 가이드 포스트들(914)의 하단 세트는 각각의 좌측 및 우측 사이드 레일들(904, 906)의 내부 측면들(910, 912)로부터 연장되고 하단 PCB(902)의 가이드 슬롯들(미도시)에 슬라이드 가능하게 결합한다. 각각의 사이드 레일로부터 연장되는, 적어도 2개의 가이드 포스트들은 하단 PCB에 견고하게 결합된다. 바람직한 실시예에서, 상단 및 하단 가이드 포스트들의 나머지는 급격한 가속의 기간들 동안에 PCB들(900, 902)의 안내된 탄성 변형을 가능하게 하기 위해 상단 및 하단 PCB들과 각각 슬라이드 가능하게 체결된다.
도 10은 기계적-내충격성 PCB 시스템의 다른 실시예의 좌측 및 우측 사이드 레일들에 의해 경험되는 횡력들(lateral forces)을 예시한다. 이와 같은 사이드 레일들을 이용하는 UAV의 발사 동안에 경험되는 것들과 같은, 사이드 레일들(1002, 1004)의 후방 측면(1000)으로부터 축 방향(X-축)으로 양의 힘(힘, FA로 표시됨)의 인가시에, 사이드 레일들(1002, 1004)은 횡력들(힘, FL로 표시됨), 또는 버클링 경향들을 경험할 것이다. 결과적으로, (Y-축을 따르는) 횡력들(FL)은 가이드 포스트들(1006)에 전달되고 슬롯들(1008)의 측벽들에 의해 대향될 것이다.
도 11은 개인용 랩톱 컴퓨터와 같은 소비자 전자 제품에서 사용하기 위한 기계적-내충격성 PCB의 다른 실시예를 도시한다. 랩톱 컴퓨터(1100)는 랩톱(1100)의 스크린 부분 내에 안착되는 내부 PCB(1102)를 가질 수 있다. PCB(1102)는 PCB를 프레임(1106)에 견고하게 결합시키기 위해 장착 홀을 통해 연장되는 고정된 포스트(1104)를 가질 수 있다. PCB(1102)는 각각의 복수의 가이드 포스트들(1116, 1118, 1120, 1122)을 수용하기 위해 복수의 가이드 슬롯들(1108, 1110, 1112, 1114)을 가질 수 있다. 각각의 가이드 슬롯(1116, 1118, 1120, 1122)은 고정된 포스트를 향하여 정렬되는 그것의 주 종방향 축을 갖고 각각의 가이드 포스트(1108, 1110, 1112, 1114)가 가이드 슬롯의 연관된 주 종방향 축 이외에 모든 방향으로 구속되도록 크기가 정해진다.
도 12는 범용 사용을 위한 기계적-내충격성 PCB의 일 실시예를 예시한다. PCB(1200)는 PCB(1200)를 프레임 또는 다른 고정된 지지체에 장착시키는 중심 장착 지점(1202)에 고정될 수 있다. 장착 지점은 바람직하게는 안착된 전기적 구성요소들(1204, 1206, 1208, 1210)을 갖는 어셈블리 후에 측정된 바와 같이, PCB(1200)의 질량의 중심에 배치될 수 있다. 가이드 슬롯(1212, 1214, 1216, 1218)은 각각의 복수의 가이드 포스트들(1220, 1222, 1224, 1226)을 수용할 수 있으며, 가이드 포스트들 각각은 고정된 포스트를 향하여 정렬되는 주 종방향 축을 갖는다. 복수의 가이드 포스트들 각각은 수용된 가이드 포스트가 가이드 슬롯의 연관된 주 종방향 축 이외에 모든 방향의 모션으로부터 실질적으로 구속되도록 크기가 정해진다. 이러한 구성으로, 양의 X-축에서의 급격한 가속은 그것의 "상단" 부분(파선(1228)에 의해 표시되는 상단 둘레)을 따라 PCB의 압축 탄성 변형 및 그것의 "하단" 부분(파선(1230)에 의해 표시되는 하단 둘레)을 따라 신장 탄성 변형을 야기할 수 있다. 급격한 가속의 방향과 관련하여 "상부" 및 "하부"로서 정의되는 상부 슬롯(1212) 및 하부 슬롯(1216)은 중심 장착 지점(1202)이 PCB(1200)를 프레임(미도시)에 고정시키는 동안에, PCB가 X-축으로 변형되는 것을 허용하지만, Y-축으로 변형을 억제한다.
도 13은 고정된 장착 지점 및 급격한 각 가속(angular acceleration) 동안에 사용을 위한 가이드 포스트를 각각 수용하는 가이드 슬롯들을 갖는 PCB의 다른 실시예를 예시한다. PCB(1300)는 PCB를 지지 포스트(1318)에 장착시키는 중심 장착 지점(P)에 고정될 수 있다. 고정된 장착 지점은 PCB의 질량의 중심에 배치될 수 있다. 가이드 슬롯들(1302, 1304, 1306, 1308) 각각은 PCB(1300)에 대해 원주방향으로 지향되는 각각의 장축을 갖고, 각각의 복수의 가이드 포스트들(1310, 1312, 1314, 1316)을 수용할 수 있다. PCB(1300)가 갑자기 회전 가속됨에 따라(화살표(A)에 의해 표시됨), PCB는 PCB의 외부 둘레 섹션을 향하여 피크 각 가속을 감소시키기 위해 중심 장착 지점에 대해 비틀림으로 변형될 수 있다. 재료 변형은 도 13에서 식별되는 X-Y 축에 따라 양의 비틀림 모우먼트에 대해 파선(T)에 의해 표현될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 각각 압축 변위 대 PCB 위치 그래프 및 그것의 원위 단부에 2개의 고정된 장착 지점들을 갖고, 가이드 슬롯들 각각의 장축에 수직으로 지향되는 장착된 전기적 구성요소들 각각의 장축을 갖는 PCB의 일 실시예에 인가되는 힘(FA)을 도시하는 PCB 예이다. 이와 같은 구성에서, 상대적으로 더 큰 폭들(Dw)을 갖는 전기적 구성요소들(1400)은 고정된 장착 지점들(1402)로부터 축의 방향으로 떨어져 있는 지점들에 위치될 수 있는 반면에, 상대적으로 더 작은 폭들(Dw)을 갖는 전기적 구성요소들(1404)들은 고정된 장착 지점들(1402)에 더 가까운 지점들에 위치될 수 있다. 이와 같은 방식으로 전기적 구성요소들을 분배함으로써, 더 넓은 구성요소들(1400)보다 PCB 보드 변형에 상대적으로 덜 민감할 수 있는 더 좁은 구성요소들(1404)은 고정된 장착 포인트들로부터 더 멀리 떨어져 있는 PCB 영역(1408)에 위치되고(도 14 참조) 상대적으로 더 적은 변형을 경험하는 더 큰 구성부품들(1400)에 의해 경험되는 것보다 상대적으로 더 큰 변형을 갖는 PCB 영역(1406)에 위치될 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "폭"은 X-축, 즉 예상된 급격한 가속과 평행한 방향에서 측정된다. 예로서, 좌측 및 우측 사이드 레일들에 인가되는 급격하고 큰 힘(FA)은 그것이 고정된 장착 지점들에 접근함에 따라 PCB(1410)에 더 큰 압축 변형을 야기할 것이다(도 14a 참조). 유사하게, PCB(1410)는 고정된 장착 지점들로부터 떨어져 있는 지점들들에서 더 적은 압축 변형을 경험할 것이다.
대안적인 실시예들에서, 고정된 장착 지점들은 PCB의 "전방" 단부에 위치될 수 있어서, 양의 급격한 가속은 PCB에서 신장 변형을 생성한다(즉, 급격한 가속 동안에 고정된 장착 지점들에 의해 지지되기 보다는 고정된 장착 지점들에 "매달림"). 이와 같은 설계에서, 전방 위치에 더 가까운, 그리고 고정된 장착 지점들에 더 가까운 지점들은 고정된 장착 지점들로부터 떨어져 있는 그러한 지점들보다 더 큰 신장 변형을 경험할 것이다. 따라서, 더 좁은 폭(Dw)을 갖는 전자적 구성요소들은 더 큰 폭(Dw)을 갖는 그러한 전기적 구성요소들보다 고정된 장착 지점들에 더 가까이 조립되거나 달리 배치될 수 있다.
도 14c는 전기적 구성요소들 폭(Dw) 대 고정된 장착 지점들로부터의 거리를 도시하는 그래프이다. 보다 구체적으로, 전기적 구성요소들 두께들의 분포는 예시된 X-축에서 측정됨에 따라, 고정된 장착 지점들에 더 가까이 장착되는 전기적 구성요소들에 대한 전기적 구성요소들 두께(Dt)보다 고정된 장착 지점들로부터 더 멀리 떨어져 있는 지점들에 장착되는 구성요소들에 대한 더 큰 전기적 구성요소들 폭(Wc)을 향하여 명확한 분포(distribution), 경향(trending) 또는 스테핑(stepping)을 따를 수 있다.
또한, 폭(Dw)은 일반적으로 PCB 변형에 대한 감도를 위한 대용물로서 사용될 수 있지만, 전기적 구성요소들 재료는 또한 고정된 장착 지점들에 대한 원위 또는 근위일 수 있는 배치에 대한 고려사항일 수 있다. 예를 들어, 세라믹 구성요소들은 리드된 IC 구성요소들보다 PCB 변형에 대해 덜 관대하다. 따라서, (구성요소 변형 감도에 대한 대용물로서) 구성요소들 폭의 이와 같은 분포 대 고정된 장착 지점들로부터의 거리는 그 대신에 "구성요소 밀도" 대 고정된 장착 지점들로부터의 거리를 사용할 수 있다. 이와 같은 방식에서, 세라믹 구성요소들은 고정된 장착 지점들로부터 원위인 위치들로 보여지는 반면에 리드된 IC와 같은 구성요소들은 리드된 IC가 급가속의 기간들 동안에 PCB 변형에 더 관대할 것임에 따라 더 가까이 있을 것이다.
도 15는 PCBA 보드가 고-G(high-G) 가속 하에서 그것의 길이를 따라 실질적으로 유사한 탄성 변형을 경험하도록 근위 단부에서 동체에 견고하게 결합되고 근위 위치로부터 떨어져 있는 복수의 지점들에 탄성적으로 결합되는 PCBA 보드를 도시하는 단순화된 오버헤드 평면도이다. PCB 보드(1500)는 강성 핀들(Rl 및 R2)을 통해 PCB의 근위 단부(1504) 상에서 동체(1502)에 견고하게 결합된다. 동체(Xf)가 PCBA(Xpc)보다 더 압축하는 경우에 있어서(이는 바람직함), Rl 및 R2는 PCBA를 견고하게 유지할 수 있는 반면에, 포스트들(EP1 내지 EP∞)은 하중을 PCBA에 걸쳐 균등하게 분배하기 위하여 탄성 스프링 속도들 갖도록 특별히 설계되며 따라서 PCBA가 Xpc 변경이 최소화되는 동안에 가속하는 것을 허용한다. 다시 말해서, 동체가 자이언트 스트링으로서 단순히 모델링될 수 있다면; 버트 단부는 정면을 향하여 압축하고 각각의 탄성 포스트는 그것의 세그먼트 질량에 비례하여 PCBA를 부드럽게 리프트한다. 상술한 시스템들의 요약에 있어서, 제1 및 제2 동체 측벽들 각각이 복수의 가이드 포스트들을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들 및 PCB가 복수의 가이드 슬롯들을 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는 PCB를 갖는 내충격성 동체 시스템이 개시되며, 복수의 가이드 포스트들 각각은 PCB의 탄성 변형이 제1 및 제2 동체 측벽들 사이의 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 안착된다. 제1 및 제2 동체 측벽들은 단일 동체 클램 쉘의 제1 및 제2 동체 측벽들일 수 있다. 복수의 가이드 슬롯들 각각의 주 종방향 축은 제1 및 제2 동체 측벽들의 주 종방향 축과 평행하게 연장될 수 있다. PCB는 PCB 보드의 전방에서 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착될 수 있다. 대안적으로, PCB는 PCB 보드의 후방에서 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착될 수 있다. 시스템은 또한 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함할 수 있으며, 복수의 전기적 구성요소들 각각은 그들의 주 종방향 축이 제1 및 제2 동체 측벽들 각각의 주 종방향 축에 수직으로 배향된 채로 장착된다. 시스템은 또한 복수의 전기적 구성요소들 중 더 큰 비율의 더 큰 전기적 구성요소들이 PCB 후방 단부보다 PCB 전방 단부에 장착되도록 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함할 수 있다.
내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)) 장착 시스템은 복수의 가이드 슬롯들을 갖는 PCB 보드 및 PCB 보드에 견고하게 결합되고 복수의 가이드 포스트들을 갖는 프레임을 갖는 다른 PCB 장착 시스템이 설명되며, 복수의 가이드 포스트들 중 각각의 포스트는 PCB의 탄성 변형이 가이드 슬롯들에 의해 안내되도록 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 안착된다. 이와 같은 실시예들에서, 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯의 주 종방향 축은 PCB의 주 종방향 축과 평행하게 연장될 수 있다. 대안적으로, 프레임은 PCB의 중심 영역에서 PCB 보드에 견고하게 결합될 수 있고, 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯의 주 종방향 축은 PCB의 중심 영역을 향하여 반경 방향으로 연장될 수 있다.
제1 방향으로 PCB에 가속도를 유도하는 단계, 가속 동안에 PCB의 일 단부에 PCB를 견고하게 구속하는 단계, 및 PCB가 일 단부로부터 떨어져 있는 PCB 포인트들에서 감소된 피크 가속을 경험하도록, 제1 방향을 따라 PCB의 탄성 변형을 안내하는 단계를 포함하는 내충격성 인쇄 회로 기판(PCB)의 방법이 개시된다. PCB 구속 단계는 PCB를 무인 항공기 동체에 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.

Claims (25)

  1. 내충격성 동체 시스템으로,
    제1 및 제2 동체 측벽들로, 상기 제1 및 제2 동체 측벽들 각각은 복수의 가이드 포스트들 및 적어도 하나의 고정된 포스트를 갖는 제1 및 제2 동체 측벽들;
    상기 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB))으로, 상기 PCB는 복수의 가이드 슬롯들 및 적어도 하나의 장착 홀을 가지며, 상기 가이드 포스트들 각각은 상기 복수의 가이드 슬롯들 중 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 안착되고, 상기 적어도 하나의 고정된 포스트의 각각의 고정된 포스트는 적어도 하나의 장착 홀 각각의 장착 홀에 고정적으로 안착되는, 인쇄 회로 기판(PCB); 및
    상기 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함하여, 상기 복수의 전기적 구성요소들 중 더 큰 비율의 더 큰 전기적 구성요소들이 PCB 후방 단부보다 PCB 전방 단부에 장착되도록 하고,
    상기 PCB의 탄성 변형은 상기 제1 및 제2 동체 측벽들 사이의 상기 가이드 슬롯들에 의해 안내되는, 내충격성 동체 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 동체 측벽들은 단일 동체 클램 쉘의 제1 및 제2 동체 측벽들인, 내충격성 동체 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가이드 슬롯들 각각의 주 종방향 축(longitudinal axis)은 상기 제1 및 제2 동체 측벽들의 주 종방향 축과 평행하게 연장되는, 내충격성 동체 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PCB는 상기 PCB 보드의 전방에서 상기 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는, 내충격성 동체 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PCB는 상기 PCB 보드의 후방에서 상기 제1 및 제2 동체 측벽들 중 적어도 하나에 견고하게 부착되는, 내충격성 동체 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 복수의 전기적 구성요소들 각각이 주 종방향 축이 상기 제1 및 제2 동체 측벽들 각각의 주 종방향 축에 수직으로 배향된 채로 장착되는 것인, 내충격성 동체 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PCB의 탄성 변형은 상기 적어도 하나의 고정된 포스트에 근접한 상기 PCB의 영역에서 더 큰, 내충격성 동체 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 PCB의 탄성 변형에 덜 민감한 전기적 구성요소들이 상기 적어도 하나의 고정된 포스트에 근접한 PCB의 영역에 배치되도록 배열되는, 내충격성 동체 시스템.
  9. 내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB))으로,
    복수의 가이드 포스트들을 수용하기 위한 복수의 가이드 슬롯들;
    적어도 하나의 고정된 포스트를 수용하기 위한 적어도 하나의 장착 홀; 및
    상기 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 포함하고, 상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 상기 적어도 하나의 장착 홀로부터 원위에 장착되도록 배열되고,
    상기 PCB의 탄성 변형은 상기 복수의 가이드 슬롯들에 의해 안내되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 작은 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들보다 상기 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 장착되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전기적 구성요소들 중 리드된 집적 회로(integrated circuit (IC))는 상기 복수의 전기적 구성요소들 중 세라믹 구성요소보다 상기 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 배치되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 가이드 슬롯들은 상기 수용된 복수의 가이드 포스트들이 축의 방향으로만 슬라이딩할 수 있고 직각으로 슬라이딩하는 것이 제한되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 장착 홀은 상기 PCB의 중심 장착 지점에 배치되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 장착 홀은 상기 PCB의 질량의 중심에 배치되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 PCB의 탄성 변형은 상기 적어도 하나의 고정된 포스트에 근접한 상기 PCB의 영역에서 더 큰, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 PCB의 탄성 변형에 덜 민감한 전기적 구성요소들이 상기 적어도 하나의 고정된 포스트에 근접한 PCB의 영역에 배치되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  17. 내충격성 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB))으로,
    복수의 가이드 포스트들을 수용하기 위한 복수의 가이드 슬롯들; 및
    적어도 하나의 고정된 포스트를 수용하기 위한 적어도 하나의 장착 홀을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 장착 홀은: 상기 PCB의 중심 장착 지점에 배치되는 것 및 상기 PCB의 질량의 중심에 배치되는 것 중 적어도 하나이고,
    상기 PCB의 탄성 변형은 상기 복수의 가이드 슬롯들에 의해 안내되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들을 더 포함하는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 복수의 전기적 구성요소들 각각이 주 종방향 축이 상기 복수의 가이드 슬롯들 각각의 주 종방향 축에 수직으로 배향된 채로 장착되는 것인, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 복수의 전기적 구성요소들은 상기 복수의 전기적 구성요소들 중 더 큰 비율의 더 큰 전기적 구성요소들이 PCB 후방 단부보다 PCB 전방 단부에 장착되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 상기 적어도 하나의 장착 홀로부터 원위에 장착되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상대적으로 더 작은 폭들을 갖는 전기적 구성요소들이 상대적으로 더 큰 폭들을 갖는 전기적 구성요소들보다 상기 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 장착되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 전기적 구성요소들 중 리드된 집적 회로(integrated circuit (IC))는 상기 복수의 전기적 구성요소들 중 세라믹 구성요소보다 상기 적어도 하나의 장착 홀에 더 가까이 배치되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 PCB에 장착되는 상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 PCB의 탄성 변형에 덜 민감한 전기적 구성요소들이 상기 적어도 하나의 고정된 포스트에 근접한 PCB의 영역에 배치되도록 배열되는, 내충격성 인쇄 회로 기판.
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