[SI-LIST] 答复: Re: Variation of PCB Dielectric Properties

  • From: "SI List" <pcb_layup@xxxxxxx>
  • To: <jeff.loyer@xxxxxxxxxx>, <richard.allred@xxxxxxxxx>, "'Istvan Novak'" <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 1 Jun 2016 00:47:08 +0800

Hello:

Sharing some data and my experience from the view of PCB maker for
reference.

1. There is a gap between measured and simulated impedance, Especially on
differential stripline. The measured impedance will be bigger than simulated
impedance 3%~10%<Normal Dk ~Very Low DK> ). So PCB maker need to tweak trace
width/space. PCB maker will use real cross-section geometry parameters to
back-calculate the DK, and setup a modified material DK database.

2. Back-calculated DK varied from cross-section geometry; single-end or
differential model; prepreg combination etc. We ever did over 500
micro-sections from dedicated standard impedance coupons for Dk
back-calculate analysis. But we confused when we tried to fixed a
back-calculated DK for a material to guide impedance design.

Base Material           PP
Style           CITS25  SI8000  Datasheet       Variation
Isola-FR408     1080
RC63%           3.08            3.12            3.51            0.39
Isola-FR408     2116
RC53%           3.12            3.13            3.73            0.6
Isola-IS415     1080
RC65%           3.05            3.02            3.52            0.5
Isola-IS415     2116
RC55%           3.06            3.08            3.72            0.64
TUC-TU862       1080
RC67%           3.4             3.43            4.1             0.67
TUC-TU862       2116
RC56%           3.63            3.6             4.3             0.7
TUC-TU862       2116
RC60%           3.8             3.81            4.3             0.49
EMC-EM370D      1080
RC63%           3.24            3.28            3.8             0.52
EMC-EM370D      2116
RC52%           3.47            3.44            4.1             0.66
EMC-EM370D      7629
RC44%           3.66            3.7             4.2             0.5
ITEQ-IT200LK    1080
RC65%           3.14            3.15            3.68            0.53
ITEQ-IT200LK    2116
RC57%           3.14            3.13            3.83            0.7
ITEQ-IT200LK    7628
RC50%           3.31            3.3             3.99            0.69

3. Single-end stripline is more sensitive on Z-axis DK, differential
stripline is more sensitive on X-Y axis DK. So Pure resin filled layer and
buttercoat layer will be the key factors to an accurate differential
stripline simulation. But there 2 limitations, A: how to get DK of pure
resin; B: Resin filled differential stripline model seems inaccurate (now
PCB maker used field solver).

4. FR4 glass-resin Mixed dielectric lead to the gap between measured and
simulated impedance. Rotate the layout with 5~15 degree angel will migrate
FWE (I think the impedance wave will more stable), but can not eliminate the
gap.

5. The back-calculated DK used by PCB maker setup a barrier. Layout cannot
communicate easily with fab house on stackup impedance design. Generic vs.
specific stackups is still a problem. If the DK from datasheet can be used
and useful downstream, the barrier will disappear.

6. DK is not constant, vary from Prepreg combination, copper weight, copper
remain ratio and Z-axis or X-Y axis etc. So the best way to improve
simulation accuracy is the DK simulation technology on a specific stackup.
The key points is get the mixed DK of prepreg combination after lamination
resin flowed and the DK of pure resin. Also accurate filed solver with
resin-filled layer model is necessary.

Reference paper:
Designcon 2013: ACCURATE INSERTION LOSS AND IMPEDANCE MODELING OF PCB TRACES

Best regards,
Terry Ho

www.sisolver.com

-----邮件原件-----
发件人: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx]
代表 Jeff Loyer
发送时间: 2016年5月31日 22:32
收件人: richard.allred@xxxxxxxxx; Istvan Novak
抄送: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
主题: [SI-LIST] Re: Variation of PCB Dielectric Properties

Hi Richard,
When I was with Intel I was heavily involved in this topic and I believe our
���Fiber Weave Effect: Practical Impact Analysis and Mitigation
Strategies��?paper contains a synopsis of the data available.  In it we
analyzed the raw data from the work done by the Intel DDR folks to try to
glean the type of statistical data you���re after ��?the net effect of the
fiberglass weave on propagation delay.  I���ve attached a snapshot from that
paper (sorry, others won���t be able to see it) showing the distribution of
the raw data.  Bert Simonovich did some work to prove that it can be
replicated in simulation, see http://lamsimenterprises.com/.




To my knowledge, no one has performed further studies ��?it was a unique,
wonderful intersection of energies and funds that allowed this study to be
done since it involved so many different material and PCB vendors across the
world.



Jeff Loyer

Signal and Power Integrity Product Manager

Altium US, www.altium.com

4225 Executive Square, Suite 700

La Jolla, CA 92037

360-819-2520 (cell)

858-864-1580 (desk)



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On
Behalf Of Richard Allred
Sent: Tuesday, May 31, 2016 5:45 AM
To: Istvan Novak
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Re: Variation of PCB Dielectric Properties



Thanks for the comments, they helped me clarify my thoughts.

As you guessed, I am interested in finding the statistical distribution of
the dielectric "constant" property across high volume manufacturing so I can
understand how the absolute delay of the line varies.  Determining the
output statistical variation of a system, given the input variable
distribution, is one of my current pet projects.



I was able to find a very interesting presentation by Gary Brist of Intel
(from the early 2000's) where he discusses in extreme detail the
manufacturing process variation for FR4.  Slide # 91, 97 and 106 contained
the e_r information was was after.



https://www.jlab.org/eng/eecad/pdf/053designop.pdf



The bottom line is that e_r varies due to the resin content and the spatial
proximity of the copper trace to the glass bundle (weave effect).  My guess
is that if there is an updated study on current materials for high speed PCB
that it is likely proprietary.



Regards,





Richard Allred



On Tue, May 31, 2016 at 6:02 AM, Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>

wrote:



Vadim,



I agree with what you say.  In this particular case though the

question came from someone working for an EDA company, making it much

less likely that they can affor or want to go into the business of

designing/evaluating printed circuit boards themselves.  Until we get

to a point that the glass and resin electrical properties differ much

less  and they are described in more detail on the data sheet, this

question will remain just partially answered.  Though to the credit of

laminate and pcb vendors, they have come a long way to supply more

data.  A lot is already posted available for everyone and even more is
available with nondisclosure agreements.



Regards,



Istvan Novak



Oracle







On 5/31/2016 3:46 AM, heyfitch (Redacted sender heyfitch for DMARC) wrote:



Hi Richard -



I may not exactly be answering your question here.....

The more you specify to a fab house the less you leave to chance.

You can pick a specific dielectric from a menu of offerings with a

known thickness and a RC (resin content).  The so called "pressed out
thickness"

would depend on the % of copper fill. The default number is usually

given for 50%, but you can ask a fab for the number for your design

before you give'em a go. The trace width is what a fab adjusts to hit
the target Z.

They don't tweak RC for this purpose.  Higher RC dielectric usually

has lower Dk and higher Df.  Some dielectric vendors show explicitly

in their datasheets the Dk values for each available option of RC.

The effective Df is very strongly affected by the choice of copper 
foil
(RTF, VLP, HVLP).

That is if you roll the loss due to copper surface roughness into the

dielectric's Df parameter.  It's not necessary to do so if you have

built enough many coupons to unambiguously separate Df and copper

surface roughness parameters in you simulation model (by way

   of deembeding generalized model s-parameters.)



This is all good but here comes a reality check...

I have seen internal data from a reputable fab of their own impedance

coupon measurement. To my surprise, the impedance values were

distributed almost uniformly between -10% and +10% of the target.

They did not show any outliers, which made me think the fab used this

coupon measurement - one per panel - for sorting.

With such a uniform distribution their yield must have been quite low.



(For microstrips, the actual Z is also affected by the amount of

over-plating and the solder mask, changing it by up to 3-4 Ohms.).



To muddy up this already confusing picture, one should consider how

fabs use Polar Instrument HW and SW - the de-facto standard with them

- to determine impedance of a panel coupon, which leads to a 
systematic
error.

But that is a whole other can of worms that I will not get into here.



My recommendation, if you asked for one, is to include you own

connectorized coupons in your design, and measure them; then fit

GMS-parameters with the model. And, yes, "waste" space on the panel

for the coupons; this will make you many friends among project

managers left and right. ;).  But, in the end, you will know exactly

the impedance, the dielectric, and surface roughness model

parameters.  If you stay with the same fab thru many designs - and

avoid fab brokers - you may even collect useful data on how 
consistent
this fab is.



Best regards,

Vadim Heyfitch



Sent from my phone







On May 29, 2016, at 6:03, Richard Allred <richard.allred@xxxxxxxxx>

wrote:



Greetings,

I am aware that typical PCB manufacturers usually guarantee some

impedance target (+/- 10 or 15%) for high speed traces and that they

may use any number of manufacturing controls to achieve this.  The

result is that the only way to know the geometric dimensions of a

given sample is to cross-section it.



What I am interested in is, what kind of variation can be expected in

the effective dielectric properties due to the PCB manufacturers

tweaking of the glass/resin ratio and the geometrical variation?  Is

anyone aware of a published study that reports this?



Kind regards,



Richard Allred

www.SiSoft.com





------------------------------------------------------------------

To unsubscribe from si-list:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field



or to administer your membership from a web page, go to:

//www.freelists.org/webpage/si-list



For help:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field





List forum  is accessible at:

              http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list



List archives are viewable at:

       //www.freelists.org/archives/si-list



Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:

       http://www.qsl.net/wb6tpu





------------------------------------------------------------------

To unsubscribe from si-list:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field



or to administer your membership from a web page, go to:

//www.freelists.org/webpage/si-list



For help:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field





List forum  is accessible at:

                http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list



List archives are viewable at:

                //www.freelists.org/archives/si-list

  Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:

                http://www.qsl.net/wb6tpu















------------------------------------------------------------------

To unsubscribe from si-list:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field



or to administer your membership from a web page, go to:

//www.freelists.org/webpage/si-list



For help:

si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field





List forum  is accessible at:

               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list



List archives are viewable at:

                                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:

                               http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  



------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: