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

  • From: "Yuriy Shlepnev" <shlepnev@xxxxxxxxxxxxx>
  • To: "'Jeff Loyer'" <jeff.loyer@xxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 1 Jun 2016 10:25:26 -0700

Jeff,

As I mentioned, it is all about the homogenization scale, comparing to the 
cross-section.
One dielectric model can be used for loosely coupled traces for instance with 
small difference in the velocity or delay of odd and even mode (no FEXT).
On the other hand, when you see larger difference in the propagation velocity 
or delay of two modes (larger FEXT), two-dielectric model is needed.
Correlating just differential impedance and insertion loss does not provide a 
complete solution if you want to use such model in a link path analysis.
See more details and practical examples of model building at our DesignCon 
"Lessons learned..." paper #2014_01 at http://www.simberian.com/AppNotes.php
Slides 19 and 22,23 in particular illustrate the need of two-dielectric model - 
the FEXT level or modal phase delay can be used to make such decision.

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA
Office +1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903
Cell +1-206-409-2368; Virtual +1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com 
Simbeor – Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic Signal 
Integrity Software
2010 and 2011 DesignVision Award Winner, 2015 Best In Design&Test Finalist




-----Original Message-----
From: Jeff Loyer [mailto:jeff.loyer@xxxxxxxxxx] ;
Sent: Wednesday, June 1, 2016 10:04 AM
To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx
Cc: si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: RE: [SI-LIST] ??: Re: Variation of PCB Dielectric Properties

Hello Yuriy,
Could you clarify when you need to include the resin layer?  In the work I've 
seen, it hasn't been necessary to include the resin layer to correlate 
differential impedance or insertion loss results, but can affect FEXT 
significantly (see DesignCon 2015 paper " PCB Material and Copper Foil 
Considerations for Insertion Loss").  Is there a particular frequency or 
modeling instance where neglecting the resin layer causes large modeling errors 
(compared to measurements).
I.E., when do I need to add the complexity of properly modeling the resin layer 
in my simulations, and when can it be neglected?

Thanks,
Jeff Loyer

-----Original Message-----
From: Yuriy Shlepnev [mailto:shlepnev@xxxxxxxxxxxxx]
Sent: Wednesday, June 1, 2016 9:55 AM
To: pcb_layup@xxxxxxx; jeff.loyer@xxxxxxxxxx; richard.allred@xxxxxxxxx; 'Istvan 
Novak'
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: RE: [SI-LIST] ??: Re: Variation of PCB Dielectric Properties

Terry,

Good points, especially #6 - " accurate filed solver with resin-filled layer 
model is necessary " :-)

There are 3 key elements in the broadband material model identification with 
t-lines (identification with GMS-parameters or with IPC's SPP
technique):
1) High quality measurements;
2) Use of actual geometry of the t-line cross-section;
3) Accurate field solver with proper material and dielectric inhomogeneity 
modeling; This is assuming that the test fixtures are properly designed and 
manufactured (something like in SPP standard or on Wild River Technology 
validation platforms).

Missing one of those key elements will give you the Dk or Df numbers that are 
substantially off from the dielectric manufacturer's data. The big discrepancy, 
as you observed below, should be actually the first sign that something is 
wrong with the procedure or you are dealing with the structures that requires 
homogenization approach other than used by the laminate manufacturer.
As Scott mentioned, the spreadsheet data are usually not so bad. Some 
manufacturers, Isola for instance, have accurate Dk values measured for the 
Z-direction (wide strip line resonator or Berezkin's method). In the projects 
with the Isola's materials we usually end up with just 2-3% adjustment of Dk 
for single-ended strips or microstrips (slightly larger Dk due to presence of 
the X and Y-components of the electric field in narrower lines). Same is valid 
for Meg6 and some other materials from manufacturers with the established 
characterization process. The smaller the X and Y components of the electric 
field of a line, the closer you should get to the spreadsheet values of Dk at 
the specified frequency. It is all about the homogenization and scale - see 
more at our DesignCon tutorial -#2016_01 at 
http://www.simberian.com/TechnicalPresentations.php
Following the homogenization scale approach, we can conclude that the 
inhomogeneous dielectric cannot be uniquely homogenized for the cases of 
tightly coupled strip or microstrip differential lines. To have correlation in 
the impedance and propagation constant for both differential and common modes 
you will need a model with at least two dielectrics - resin or solder mask and 
the homogenized mixture. When model for resin is not available (those are 
proprietary mixtures :-), you can derive it from the glass model (you can get 
this data from the fabric
manufacturers) and volumetric resin content as it is done in our paper
#2014_04 at http://www.simberian.com/AppNotes.php.

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA Office
+1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903 Cell +1-206-409-2368; Virtual
+1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor  C Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic Signal 
Integrity Software
2010 and 2011 DesignVision Award Winner, 2015 Best In Design&Test Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx]
On
Behalf Of SI List
Sent: Tuesday, May 31, 2016 9:47 AM
To: jeff.loyer@xxxxxxxxxx; richard.allred@xxxxxxxxx; 'Istvan Novak'
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] ??: Re: Variation of PCB Dielectric Properties

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

------------------------------------------------------------------
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: