本發(fā)明涉及一種基于短柱諧振對信號完整性影響研究的rack服務器設計方法，屬于云服務器電路板設計技術領域。

背景技術：

隨著云計算的應用范圍不斷的擴大，網(wǎng)上購物、網(wǎng)上審批、網(wǎng)銀支付的出現(xiàn)，人們工作生活上的許多業(yè)務都呈現(xiàn)信息化的發(fā)展趨勢。對網(wǎng)絡服務器的計算性能要求越來越大，云計算的概念也因此產生，并初步形成了政務云、衛(wèi)生云、稅務云的新概念。隨著云計算技術的興起和發(fā)展，作為傳統(tǒng)機房中的單元-機柜系統(tǒng)，要求部署在機柜內部服務器計算節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力越來越強，部署密度越來越高。

rack機柜服務器產品的出現(xiàn)正好順應了云計算的發(fā)展要求。這種服務器機柜不僅擁有很高的數(shù)據(jù)處理能力，而且在42u高度的機柜內部能夠集成高達80個計算節(jié)點。

目前的rack機柜服務器系統(tǒng)采用多個電路板卡共同工作的方式。具體是：以服務器主板為核心，其他子卡為輔助，通過電纜線或者其他類型的電線連接，由于在實際電路板中幾乎都會不可避免的遇到viastub的影響，所以通過數(shù)學模型的方式分析出短柱對信號完整性影響，確定電路的諧振頻率，從而確保每塊子卡運行平穩(wěn)，然后整個系統(tǒng)能夠正常的運行。

試板制作流程：開料→烘板→內層干膜→內層蝕刻→內aoi→棕化→層壓→銑邊→鉆孔→去鉆污→沉銅→外層電鍍→圖形電鍍2→控深鉆孔→外層蝕刻1→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外aoi→阻焊→沉金→銑板……

雖然在電路板過孔設計中采用背鉆有明顯的優(yōu)點：整機柜信號正確率效率得到大幅提升，傳導損耗降低。但是也有著不可回避的缺點：生產成本大幅度提升，背鉆準確率的影響；例如背鉆不準確的話，整個電路板可能出現(xiàn)短路，就會導致燒板現(xiàn)象。最終，會導致整機柜燒掉，使得機柜內的其他節(jié)點運行的業(yè)務受到影響。

隨著數(shù)字電路速率以及時鐘頻率的不斷提高，在高速系統(tǒng)中，高速信號經過互連線會產生諸如延遲、反射、衰減、串擾等信號完整性問題。信號完整性問題已經成為高速數(shù)字電路設計是否成功的關鍵問題之一。

影響高速數(shù)字pcb信號完整性的主要因素除pcb設計和pcb板材選擇外，導通孔對信號完整性有較大影響。在高速多層pcb中，當信號從頂層傳輸?shù)絻炔磕硨訒r，用通孔連接就會產生多余的導通孔短柱，短柱在極大程度上影響著信號的傳輸質量。

當信號在通過過孔傳輸?shù)阶杩蛊ヅ涞牧硪粚泳€路時，會有一部分能量被傳遞到過孔的短柱上，而這一部分由于沒有任何的阻抗終結，所以可以被看作是全開路狀態(tài)，因此這個分支便會造成剩余能量的全反射，這大大地削弱了信號質量，損壞了原始信號的完整性。

為克服上述技術問題，本發(fā)明提出了一種基于短柱諧振對信號完整性影響研究的rack服務器設計方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于短柱諧振對信號完整性影響研究的rack服務器設計方法，其能夠根據(jù)無短柱和有短柱時的過孔等效電路模型得到短柱諧振對整個系統(tǒng)電路板的影響，能夠極大地促進rack服務器系統(tǒng)的整體運轉的可靠性。

本發(fā)明解決其技術問題采取的技術方案是：基于短柱諧振對信號完整性影響研究的rack服務器設計方法，其特征是，首先對比在有無短柱的情況下過孔孔徑對信號的影響，然后根據(jù)在pcb走線需要換層時需要考慮的viastub的影響情況進行搭建rack服務器。

進一步地，所述的方法包括以下具體步驟：

步驟s1，根據(jù)單個過孔的疊層結構確定過孔的具體信息以及有短柱的情況下短柱的一些數(shù)據(jù)；

步驟s2，根據(jù)無短柱時過孔的等效模型結構的等效電阻、電感、電容的情況獲取整個via的情況；

步驟s3，根據(jù)有短柱時過孔的等效模型結構獲取viastub的具體情況；

步驟s4，根據(jù)諧振頻率計算公式得到在具體過孔處的諧振情況，其中，fres為多余短柱端產生的諧振頻率，l為多余短柱的寄生電感，c為多余短柱的寄生電容；

步驟s5，根據(jù)有無短柱時過孔的等效電路進行仿真；

步驟s6，經過仿真驗證確定過孔孔徑對信號的影響；

步驟s7，匯總在pcb走線需要換層時需要考慮的viastub的影響情況；

步驟s8，按照設計好輔助小卡、選好的電源池和備份電池模組、設計好的主板、風扇板進行搭建rack服務器系統(tǒng)。

進一步地，所述對比在有無短柱的情況下過孔孔徑對信號的影響的過程為：通過比較過孔無短柱和有短柱時的等效電路模型，通過對等效電路模型的分析，從數(shù)學的角度定量定性的得到有無短柱對信號完整性的影響。

進一步地，在無短柱時過孔的等效模型和有短柱時過孔的等效模型中，lneck為和過孔相連接的微帶線的等效電感，cvia為過孔與參考平面間的藕合電容，lvia為垂直過孔自身的電感，lstub為殘余段的等效電感，cstub為殘余段的等效電容。

進一步地，在電路板中，采用沒有短柱的過孔結構。

進一步地，當存在尺寸結構或線路規(guī)劃約束條件時，在電路板中采用有短柱的過孔結構。

進一步地，根據(jù)服務器電路在實際運行中晶振頻率的不同會產生不同的諧振頻率，通過諧振頻率公式的計算得到rack服務器系統(tǒng)的諧振頻率。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過比較有無短柱時的過孔等效電路模型，并對等效電路模型的分析，從數(shù)學的角度定量定性的得到有無短柱對信號完整性的影響。通過數(shù)學模型分析可以準確的得到短柱諧振對整個系統(tǒng)電路板的影響，大大降低了在整個電路設計中l(wèi)ayout對viastub的影響的判斷，從而在整個電路板的運行時，能夠極大地促進rack服務器系統(tǒng)的整體運轉的可靠性。

本發(fā)明在rack服務器板卡中內引入raid、電源轉換卡、背板卡等外部輔助小卡以及基于intelpdg規(guī)范設計的主板，通過在不同板卡情況下分析出的不同viastub的影響。針對不同板卡不同的viastub的情況，從而提前改變電路設計等方式，得到最終的高速信號完整性。在某塊板卡信號完整性不理想時，由于rack服務器為一整個系統(tǒng)，其他子卡能夠確保信號完整性，進而保證了整個rack服務器運行的安全，大大增強了rack整機柜服務器的信號完整性和可靠性。

附圖說明

下面結合說明書附圖對本發(fā)明進行說明。

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為單個過孔的疊層結構的示意圖；

圖3為無短柱時過孔的等效模型結構的示意圖；

圖4為有短柱時過孔的等效模型結構的示意圖；

圖5為過孔孔徑對單端過孔長度的影響示意圖；

圖6為過孔孔徑對差分過孔長度的影響示意圖；

圖7為不同短柱長度情況下的諧振情況示意圖。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，并結合其附圖，對本發(fā)明進行詳細闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結構。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。應當注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對公知組件和處理技術及工藝的描述以避免不必要地限制本發(fā)明。

本發(fā)明的一種基于短柱諧振對信號完整性影響研究的rack服務器設計方法，首先對比在有無短柱的情況下過孔孔徑對信號的影響(通過比較過孔無短柱和有短柱時的等效電路模型，通過對等效電路模型的分析，從數(shù)學的角度定量定性的得到有無短柱對信號完整性的影響)，然后根據(jù)在pcb走線需要換層時需要考慮的viastub的影響情況進行搭建rack服務器。

如圖1所示，本發(fā)明所述的方法包括以下具體步驟：

步驟s1，根據(jù)單個過孔的疊層結構確定過孔的具體信息以及有短柱的情況下短柱的一些數(shù)據(jù)；

步驟s2，根據(jù)無短柱時過孔的等效模型結構的等效電阻、電感、電容的情況獲取整個via的情況，在等效模型中，lneck為和過孔相連接的微帶線的等效電感，cvia為過孔與參考平面間的藕合電容，lvia為垂直過孔自身的電感，lstub為殘余段的等效電感，cstub為殘余段的等效電容，在電路板中通常采用沒有短柱的過孔結構；步驟s3，根據(jù)有短柱時過孔的等效模型結構獲取viastub的具體情況，進而評估整個電路板中針對單端或者差分過孔的影響。當存在尺寸結構或線路規(guī)劃約束條件時，在電路板中采用有短柱的過孔結構；

步驟s4，根據(jù)諧振頻率計算公式得到在具體過孔處的諧振情況，根據(jù)服務器電路在實際運行中晶振頻率的不同會產生不同的諧振頻率，通過諧振頻率公式的計算得到rack服務器系統(tǒng)的諧振頻率；根據(jù)過孔處的諧振情況可以在電路設計時提前加入電容等電子元器件進行提前規(guī)劃。

步驟s5，根據(jù)有無短柱時過孔的等效電路通過編寫程序調入hspice軟件中進行仿真。，就可以得到時域響應了；

步驟s6，經過仿真驗證可以更加確切的確定過孔孔徑對信號的影響；

步驟s7，通過上述的分析、仿真驗證，從而可以得到在pcb走線需要換層時需要考慮的viastub的影響情況；

步驟s8，按照設計好輔助小卡、選好的電源池和備份電池模組、設計好的主板、風扇板進行搭建rack服務器系統(tǒng)，這樣即可完成一臺可減少整個pcb板卡viastub影響的rack服務器系統(tǒng)。

本發(fā)明通過對比在有無短柱的情況下，過孔的不同模型，以及在不同模型下的諧振頻率計算公式。在服務器機柜中，有一塊主板和多塊子卡組成。其中：主板上焊接intel的cpu、pch、bmc等電子器件，子卡為主卡提供配套條件。

圖3和圖4分別為過孔無短柱和有短柱時的等效電路模型。其中，lneck為和過孔相連接的微帶線的等效電感，cvia為過孔與參考平面間的藕合電容，lvia為垂直過孔自身的電感，lstub為殘余段的等效電感，cstub為殘余段的等效電容。由圖3可以看出，當一個過孔有了殘余短柱后，多余短柱(c端)與微帶線(b端)二者并聯(lián)起來，并導致整個過孔阻抗值下降。

通過主從銅排供電結構，可以大大降低整機柜因某個節(jié)點或風扇短路導致整個機柜掉電的風險，增強rack機柜服務器系統(tǒng)供電可靠性。

對于含多余短柱的過孔，相當于在信號傳播的等效電路中并聯(lián)一段開路的短截線，由此引起的附加電抗會降低特性阻抗，從而導致阻抗匹配不良。為了說明短柱的電路特性，下面以一個簡單的等效電路模型加以說明。

圖2為短柱對過孔的影響或者疊層的結構。如圖2所示，此圖為典型的過孔信號示意圖，在該圖中信號流經的層數(shù)分別為l1和l3層，所以從l3層以下的過孔沒有能夠用的上。當信號經過l3層后會繼續(xù)向l4、l5等層面流過，當傳輸?shù)阶畹讓訒r，此時相當于開路，這時反射系數(shù)為1，信號會被反射回來。反射回來的信號經過l3層時，由于阻抗的變化，又會被反射到l4、l5等層面，來來回回，極大的影響著信號的完整性。

圖3為無短柱時過孔的等效模型結構。其中，lneck為和過孔相連接的微帶線的等效電感，主要產生磁場作用，cvia為過孔與參考平面間的藕合電容，連接過孔與參考平面，lvia為垂直過孔自身的電感，過孔上方的能量可以通過此電感傳遞到過孔下方。

圖4為有短柱時過孔的等效模型結構。在無短柱模型的基礎上，增加了殘余短柱后，由圖4可以看出，當一個過孔有了殘余短柱后，多余短柱(c端)與微帶線(b端)二者并聯(lián)起來，并導致整個過孔阻抗值下降。與圖3相比，圖4增加了lstub和cstub這兩部分，lstub為殘余段的等效電感，cstub為殘余段的等效電容。在以b點為準的水平線上，等同于無短柱部分。在b、c點中間部分代表有短柱部分，即產生viastub的區(qū)域。因此，如果想要得到viastub的諧振影響，必須知道該處lstub和cstub。

在諧振頻率計算過程中，多余短柱越長，l和c就越大，諧振頻率就越小。因此，如果能夠提前知道l、c的值就可以提前對系統(tǒng)的諧振頻率進行規(guī)避，從而降低風險。

得到有無短柱時過孔的等效電路后，根據(jù)等效電路編寫硬件描述語句，帶入到hspice軟件中。對于不同的過孔長度，可以得到不同的lneck、cvia、lvia，因而會產生不同的lstub、cstub。下面所有得到的圖形均為在hspice軟件中得到的時域響應。

在根據(jù)有無短柱時過孔的等效電路進行仿真的過程中，圖5所示為過孔孔徑對單端過孔長度的影響，圖6所示為過孔孔徑對差分過孔長度的影響。

圖5中單端過孔長度為0.90mm時，短柱長度對過孔阻抗的影響。由圖3可看出，與上面結果一樣，過孔的阻抗會隨過孔短柱長度的增加而減??；當過孔孔徑為0.20mm，短柱長度分別為0.20mm、0.60mm和1.20mm時，過孔阻抗分別為50.5ω、48.1ω和46.4ω；每0.10mm短柱，會導致過孔阻抗下降0.40；當過孔孔徑為0.30mm，短柱長度分別為0.20mm、0.60mm和1.20mm時，過孔阻抗分別為50.3ω、46.3ω和44.6ω，每0.10mm短柱，會導致過孔阻抗下降0.57ω。

圖6中差分過孔長度為0.90mm時，過孔孔徑分別為0.20mm和0.30mm時，短柱長度對過孔阻抗的影響。由圖看出，對于0.20mm過孔，多余短柱長度每增加0.10mm，會導致差分過孔阻抗值減小0.60ω；過孔孔徑為0.30mm時，短柱長度每增加0.10mm，會導致差分過孔阻抗值減小0.70ω。

如圖7所示，短柱的長度極大地影響著信號的傳輸質量，短柱越長，其產生的電容就越大，從而會導致一個更低的諧振頻率。這些諧振的產生，增大了諧振頻率附近的插入損耗。多余短柱的諧振頻率可以通過諧振頻率計算公式計算。所以從圖7可以看出，多余短柱越長，諧振頻率越靠前。顯示了不同短柱長度情況下的諧振情況。由圖可以看出，多余短柱越長，諧振頻率越靠前。當短柱長度分別為0.20mm、0.45mm和0.80mm時，各過孔第二次諧振頻率分別11.03ghz、10.99ghz、10.92ghz，第三次諧振頻率分別為12.66ghz、12.52ghz和12.39ghz。

本發(fā)明具有以下特點；

1)提出一種在沒有短柱下過孔相連接的微帶線的等效電感，通常在電路板中盡可能的采用此類結構；

2)提出一種在有短柱下過孔相連接的微帶線的等效電感，在尺寸結構、線路規(guī)劃等約束條件下，有時在電路板中必須采用此類結構；

3)提出一種多余短柱的諧振頻率的計算公式，在此公式依據(jù)下，能夠比較準確的得到系統(tǒng)的諧振頻率；

4)、提出一種在layout設計中諧振頻率的選擇方法，由于服務器電路在實際運行中晶振頻率的不同會產生不同的諧振頻率，因此在實際運行中通過諧振頻率公式的計算，從而能夠比較早的得到系統(tǒng)的諧振頻率，通過添加電容或者電感的方法提前規(guī)避，從而避免不期望現(xiàn)象的發(fā)生。

以上所述只是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也被視為本發(fā)明的保護范圍。