基于短柱谐振对信号完整性影响研究的Rack服务器设计方法与流程

本发明涉及一种基于短柱谐振对信号完整性影响研究的rack服务器设计方法，属于云服务器电路板设计技术领域。

背景技术：

随着云计算的应用范围不断的扩大，网上购物、网上审批、网银支付的出现，人们工作生活上的许多业务都呈现信息化的发展趋势。对网络服务器的计算性能要求越来越大，云计算的概念也因此产生，并初步形成了政务云、卫生云、税务云的新概念。随着云计算技术的兴起和发展，作为传统机房中的单元-机柜系统，要求部署在机柜内部服务器计算节点的数据处理能力越来越强，部署密度越来越高。

rack机柜服务器产品的出现正好顺应了云计算的发展要求。这种服务器机柜不仅拥有很高的数据处理能力，而且在42u高度的机柜内部能够集成高达80个计算节点。

目前的rack机柜服务器系统采用多个电路板卡共同工作的方式。具体是：以服务器主板为核心，其他子卡为辅助，通过电缆线或者其他类型的电线连接，由于在实际电路板中几乎都会不可避免的遇到viastub的影响，所以通过数学模型的方式分析出短柱对信号完整性影响，确定电路的谐振频率，从而确保每块子卡运行平稳，然后整个系统能够正常的运行。

试板制作流程：开料→烘板→内层干膜→内层蚀刻→内aoi→棕化→层压→铣边→钻孔→去钻污→沉铜→外层电镀→图形电镀2→控深钻孔→外层蚀刻1→外层干膜→图形电镀→外层蚀刻→外aoi→阻焊→沉金→铣板……

虽然在电路板过孔设计中采用背钻有明显的优点：整机柜信号正确率效率得到大幅提升，传导损耗降低。但是也有着不可回避的缺点：生产成本大幅度提升，背钻准确率的影响；例如背钻不准确的话，整个电路板可能出现短路，就会导致烧板现象。最终，会导致整机柜烧掉，使得机柜内的其他节点运行的业务受到影响。

随着数字电路速率以及时钟频率的不断提高，在高速系统中，高速信号经过互连线会产生诸如延迟、反射、衰减、串扰等信号完整性问题。信号完整性问题已经成为高速数字电路设计是否成功的关键问题之一。

影响高速数字pcb信号完整性的主要因素除pcb设计和pcb板材选择外，导通孔对信号完整性有较大影响。在高速多层pcb中，当信号从顶层传输到内部某层时，用通孔连接就会产生多余的导通孔短柱，短柱在极大程度上影响着信号的传输质量。

当信号在通过过孔传输到阻抗匹配的另一层线路时，会有一部分能量被传递到过孔的短柱上，而这一部分由于没有任何的阻抗终结，所以可以被看作是全开路状态，因此这个分支便会造成剩余能量的全反射，这大大地削弱了信号质量，损坏了原始信号的完整性。

为克服上述技术问题，本发明提出了一种基于短柱谐振对信号完整性影响研究的rack服务器设计方法。

技术实现要素：

针对上述技术的不足，本发明提供了一种基于短柱谐振对信号完整性影响研究的rack服务器设计方法，其能够根据无短柱和有短柱时的过孔等效电路模型得到短柱谐振对整个系统电路板的影响，能够极大地促进rack服务器系统的整体运转的可靠性。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：基于短柱谐振对信号完整性影响研究的rack服务器设计方法，其特征是，首先对比在有无短柱的情况下过孔孔径对信号的影响，然后根据在pcb走线需要换层时需要考虑的viastub的影响情况进行搭建rack服务器。

进一步地，所述的方法包括以下具体步骤：

步骤s1，根据单个过孔的叠层结构确定过孔的具体信息以及有短柱的情况下短柱的一些数据；

步骤s2，根据无短柱时过孔的等效模型结构的等效电阻、电感、电容的情况获取整个via的情况；

步骤s3，根据有短柱时过孔的等效模型结构获取viastub的具体情况；

步骤s4，根据谐振频率计算公式得到在具体过孔处的谐振情况，其中，fres为多余短柱端产生的谐振频率，l为多余短柱的寄生电感，c为多余短柱的寄生电容；

步骤s5，根据有无短柱时过孔的等效电路进行仿真；

步骤s6，经过仿真验证确定过孔孔径对信号的影响；

步骤s7，汇总在pcb走线需要换层时需要考虑的viastub的影响情况；

步骤s8，按照设计好辅助小卡、选好的电源池和备份电池模组、设计好的主板、风扇板进行搭建rack服务器系统。

进一步地，所述对比在有无短柱的情况下过孔孔径对信号的影响的过程为：通过比较过孔无短柱和有短柱时的等效电路模型，通过对等效电路模型的分析，从数学的角度定量定性的得到有无短柱对信号完整性的影响。

进一步地，在无短柱时过孔的等效模型和有短柱时过孔的等效模型中，lneck为和过孔相连接的微带线的等效电感，cvia为过孔与参考平面间的藕合电容，lvia为垂直过孔自身的电感，lstub为残余段的等效电感，cstub为残余段的等效电容。

进一步地，在电路板中，采用没有短柱的过孔结构。

进一步地，当存在尺寸结构或线路规划约束条件时，在电路板中采用有短柱的过孔结构。

进一步地，根据服务器电路在实际运行中晶振频率的不同会产生不同的谐振频率，通过谐振频率公式的计算得到rack服务器系统的谐振频率。

本发明的有益效果是：

本发明通过比较有无短柱时的过孔等效电路模型，并对等效电路模型的分析，从数学的角度定量定性的得到有无短柱对信号完整性的影响。通过数学模型分析可以准确的得到短柱谐振对整个系统电路板的影响，大大降低了在整个电路设计中layout对viastub的影响的判断，从而在整个电路板的运行时，能够极大地促进rack服务器系统的整体运转的可靠性。

本发明在rack服务器板卡中内引入raid、电源转换卡、背板卡等外部辅助小卡以及基于intelpdg规范设计的主板，通过在不同板卡情况下分析出的不同viastub的影响。针对不同板卡不同的viastub的情况，从而提前改变电路设计等方式，得到最终的高速信号完整性。在某块板卡信号完整性不理想时，由于rack服务器为一整个系统，其他子卡能够确保信号完整性，进而保证了整个rack服务器运行的安全，大大增强了rack整机柜服务器的信号完整性和可靠性。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明进行说明。

图1为本发明的方法流程图；

图2为单个过孔的叠层结构的示意图；

图3为无短柱时过孔的等效模型结构的示意图；

图4为有短柱时过孔的等效模型结构的示意图；

图5为过孔孔径对单端过孔长度的影响示意图；

图6为过孔孔径对差分过孔长度的影响示意图；

图7为不同短柱长度情况下的谐振情况示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明的一种基于短柱谐振对信号完整性影响研究的rack服务器设计方法，首先对比在有无短柱的情况下过孔孔径对信号的影响(通过比较过孔无短柱和有短柱时的等效电路模型，通过对等效电路模型的分析，从数学的角度定量定性的得到有无短柱对信号完整性的影响)，然后根据在pcb走线需要换层时需要考虑的viastub的影响情况进行搭建rack服务器。

如图1所示，本发明所述的方法包括以下具体步骤：

步骤s1，根据单个过孔的叠层结构确定过孔的具体信息以及有短柱的情况下短柱的一些数据；

步骤s2，根据无短柱时过孔的等效模型结构的等效电阻、电感、电容的情况获取整个via的情况，在等效模型中，lneck为和过孔相连接的微带线的等效电感，cvia为过孔与参考平面间的藕合电容，lvia为垂直过孔自身的电感，lstub为残余段的等效电感，cstub为残余段的等效电容，在电路板中通常采用没有短柱的过孔结构；步骤s3，根据有短柱时过孔的等效模型结构获取viastub的具体情况，进而评估整个电路板中针对单端或者差分过孔的影响。当存在尺寸结构或线路规划约束条件时，在电路板中采用有短柱的过孔结构；

步骤s4，根据谐振频率计算公式得到在具体过孔处的谐振情况，根据服务器电路在实际运行中晶振频率的不同会产生不同的谐振频率，通过谐振频率公式的计算得到rack服务器系统的谐振频率；根据过孔处的谐振情况可以在电路设计时提前加入电容等电子元器件进行提前规划。

步骤s5，根据有无短柱时过孔的等效电路通过编写程序调入hspice软件中进行仿真。，就可以得到时域响应了；

步骤s6，经过仿真验证可以更加确切的确定过孔孔径对信号的影响；

步骤s7，通过上述的分析、仿真验证，从而可以得到在pcb走线需要换层时需要考虑的viastub的影响情况；

步骤s8，按照设计好辅助小卡、选好的电源池和备份电池模组、设计好的主板、风扇板进行搭建rack服务器系统，这样即可完成一台可减少整个pcb板卡viastub影响的rack服务器系统。

本发明通过对比在有无短柱的情况下，过孔的不同模型，以及在不同模型下的谐振频率计算公式。在服务器机柜中，有一块主板和多块子卡组成。其中：主板上焊接intel的cpu、pch、bmc等电子器件，子卡为主卡提供配套条件。

图3和图4分别为过孔无短柱和有短柱时的等效电路模型。其中，lneck为和过孔相连接的微带线的等效电感，cvia为过孔与参考平面间的藕合电容，lvia为垂直过孔自身的电感，lstub为残余段的等效电感，cstub为残余段的等效电容。由图3可以看出，当一个过孔有了残余短柱后，多余短柱(c端)与微带线(b端)二者并联起来，并导致整个过孔阻抗值下降。

通过主从铜排供电结构，可以大大降低整机柜因某个节点或风扇短路导致整个机柜掉电的风险，增强rack机柜服务器系统供电可靠性。

对于含多余短柱的过孔，相当于在信号传播的等效电路中并联一段开路的短截线，由此引起的附加电抗会降低特性阻抗，从而导致阻抗匹配不良。为了说明短柱的电路特性，下面以一个简单的等效电路模型加以说明。

图2为短柱对过孔的影响或者叠层的结构。如图2所示，此图为典型的过孔信号示意图，在该图中信号流经的层数分别为l1和l3层，所以从l3层以下的过孔没有能够用的上。当信号经过l3层后会继续向l4、l5等层面流过，当传输到最底层时，此时相当于开路，这时反射系数为1，信号会被反射回来。反射回来的信号经过l3层时，由于阻抗的变化，又会被反射到l4、l5等层面，来来回回，极大的影响着信号的完整性。

图3为无短柱时过孔的等效模型结构。其中，lneck为和过孔相连接的微带线的等效电感，主要产生磁场作用，cvia为过孔与参考平面间的藕合电容，连接过孔与参考平面，lvia为垂直过孔自身的电感，过孔上方的能量可以通过此电感传递到过孔下方。

图4为有短柱时过孔的等效模型结构。在无短柱模型的基础上，增加了残余短柱后，由图4可以看出，当一个过孔有了残余短柱后，多余短柱(c端)与微带线(b端)二者并联起来，并导致整个过孔阻抗值下降。与图3相比，图4增加了lstub和cstub这两部分，lstub为残余段的等效电感，cstub为残余段的等效电容。在以b点为准的水平线上，等同于无短柱部分。在b、c点中间部分代表有短柱部分，即产生viastub的区域。因此，如果想要得到viastub的谐振影响，必须知道该处lstub和cstub。

在谐振频率计算过程中，多余短柱越长，l和c就越大，谐振频率就越小。因此，如果能够提前知道l、c的值就可以提前对系统的谐振频率进行规避，从而降低风险。

得到有无短柱时过孔的等效电路后，根据等效电路编写硬件描述语句，带入到hspice软件中。对于不同的过孔长度，可以得到不同的lneck、cvia、lvia，因而会产生不同的lstub、cstub。下面所有得到的图形均为在hspice软件中得到的时域响应。

在根据有无短柱时过孔的等效电路进行仿真的过程中，图5所示为过孔孔径对单端过孔长度的影响，图6所示为过孔孔径对差分过孔长度的影响。

图5中单端过孔长度为0.90mm时，短柱长度对过孔阻抗的影响。由图3可看出，与上面结果一样，过孔的阻抗会随过孔短柱长度的增加而减小；当过孔孔径为0.20mm，短柱长度分别为0.20mm、0.60mm和1.20mm时，过孔阻抗分别为50.5ω、48.1ω和46.4ω；每0.10mm短柱，会导致过孔阻抗下降0.40；当过孔孔径为0.30mm，短柱长度分别为0.20mm、0.60mm和1.20mm时，过孔阻抗分别为50.3ω、46.3ω和44.6ω，每0.10mm短柱，会导致过孔阻抗下降0.57ω。

图6中差分过孔长度为0.90mm时，过孔孔径分别为0.20mm和0.30mm时，短柱长度对过孔阻抗的影响。由图看出，对于0.20mm过孔，多余短柱长度每增加0.10mm，会导致差分过孔阻抗值减小0.60ω；过孔孔径为0.30mm时，短柱长度每增加0.10mm，会导致差分过孔阻抗值减小0.70ω。

如图7所示，短柱的长度极大地影响着信号的传输质量，短柱越长，其产生的电容就越大，从而会导致一个更低的谐振频率。这些谐振的产生，增大了谐振频率附近的插入损耗。多余短柱的谐振频率可以通过谐振频率计算公式计算。所以从图7可以看出，多余短柱越长，谐振频率越靠前。显示了不同短柱长度情况下的谐振情况。由图可以看出，多余短柱越长，谐振频率越靠前。当短柱长度分别为0.20mm、0.45mm和0.80mm时，各过孔第二次谐振频率分别11.03ghz、10.99ghz、10.92ghz，第三次谐振频率分别为12.66ghz、12.52ghz和12.39ghz。

本发明具有以下特点；

1)提出一种在没有短柱下过孔相连接的微带线的等效电感，通常在电路板中尽可能的采用此类结构；

2)提出一种在有短柱下过孔相连接的微带线的等效电感，在尺寸结构、线路规划等约束条件下，有时在电路板中必须采用此类结构；

3)提出一种多余短柱的谐振频率的计算公式，在此公式依据下，能够比较准确的得到系统的谐振频率；

4)、提出一种在layout设计中谐振频率的选择方法，由于服务器电路在实际运行中晶振频率的不同会产生不同的谐振频率，因此在实际运行中通过谐振频率公式的计算，从而能够比较早的得到系统的谐振频率，通过添加电容或者电感的方法提前规避，从而避免不期望现象的发生。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。