SEMICONDUCTOR — DEEP DIVE

VNA Calibration & S-Param Meas.:
VNA Calibration & S-Param Meas.

ENGINEERING

01 บทนำ: Vna Meas คืออะไร

ในโลกของ RF และ Analog IC Design การวัดค่า VNA (Vector Network Analyzer) ไม่ใช่เพียงแค่การวัดระดับสัญญาณ แต่เป็นการวิเคราะห์พฤติกรรมของเครือข่ายเชิงเส้น (Linear Network) ผ่านโดเมนความถี่ที่ซับซ้อน S-parameters (Scattering Parameters) เป็นหัวใจสำคัญที่บ่งบอกถึงอัตราส่วนของพลังงานที่สะท้อนกลับ (Reflection) และที่ส่งผ่าน (Transmission) ในระบบ RF ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบ Impedance Matching และการทำนายประสิทธิภาพของชิปก่อนที่จะนำไปสู่กระบวนการผลิตจริง

การเข้าใจ VNA Measurement จัดเป็น Career Roadmap Stage 06 ที่วิศวกรต้องแม่นยำ เพราะข้อผิดพลาดในระดับไมโครเวฟอาจหมายถึงการเสียเวลาและงบประมาณมหาศาลในการทำ Tape-out ใหม่ การเรียนรู้การทำ Calibration ที่ถูกต้องและเทคนิค On-wafer probing จึงเป็นทักษะที่แยกความแตกต่างระหว่างวิศวกรทั่วไปกับผู้เชี่ยวชาญระดับสูงในอุตสาหกรรม Semiconductor

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 06 — MEASUREMENT & CHARACTERIZATION: RF Test & Lab Measurement
VNA calibration (SOLT/LRRM/TRL) และ S-parameter measurement; noise figure measurement (Y-factor, cold-source); spectrum analyzer; load-pull system สำหรับ PA characterization; EVM & modulated signal test; on-wafer probing (GSG probe)
Equipment: Keysight VNA, NF analyzer, Maury load-pull, GSG probe station
Related: Test & Characterization · Noise Figure & Load-Pull · On-Wafer RF Probing
Path: RF / Analog IC Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

พื้นฐานของ VNA เริ่มต้นจากความสัมพันธ์ของคลื่นที่เดินทางในระบบ RF ซึ่งอธิบายได้ด้วยทฤษฎี S-parameters โดยที่ $S_{11}$ คือ Input Reflection Coefficient และ $S_{21}$ คือ Forward Transmission Coefficient โดยทั่วไปความสัมพันธ์นี้อ้างอิงกับ Impedance มาตรฐานที่ $Z_0 = 50\Omega$

$S_{11} = \frac{b_1}{a_1} \Big|_{a_2=0}, \quad S_{21} = \frac{b_2}{a_1} \Big|_{a_2=0}$

นอกจากนี้ ในส่วนของการวัด Noise Figure (NF) เราใช้เทคนิค Y-Factor Method ซึ่งอาศัยแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน (Noise Source) สองระดับ (Hot/Cold) เพื่อคำนวณอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน โดยมีสมการพื้นฐานคือ:

$Y = \frac{P_{hot}}{P_{cold}}, \quad NF = 10 \log_{10} \left( \frac{ENR_{linear}}{Y-1} \right)$

โดยที่ ENR (Excess Noise Ratio) เป็นตัวแปรควบคุมที่สำคัญเพื่อให้ค่าความแม่นยำสูงที่สุดในการวัดสัญญาณรบกวนต่ำของ LNA (Low Noise Amplifier)

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการวัด VNA ที่ถูกต้องเริ่มต้นจาก Calibration ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุด หากไม่มีการ Calibrate ค่าที่วัดได้จะรวมเอาผลกระทบจากสาย Cable, ขั้วต่อ และ Probe เข้าไปด้วย วิธีการ Calibrate ยอดนิยม ได้แก่ SOLT (Short-Open-Load-Through) สำหรับ Coaxial ทั่วไป หรือ LRRM (Line-Reflect-Reflect-Match) สำหรับ On-wafer probing เพื่อขจัด Systematic Errors ทั้ง 12 ประการ (12-term error model)

หลังจาก Calibrate แล้ว วิศวกรจะใช้ GSG (Ground-Signal-Ground) Probe วางลงบน Die Pad ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่มีความละเอียดสูง การทำ De-embedding เป็นขั้นตอนต่อเนื่องที่ขาดไม่ได้ โดยการวัดโครงสร้าง Test Coupon (เช่น Open, Short, Thru) บนเวเฟอร์เพื่อนำมาลบผลกระทบของ Layout Parasitics ออกจากผลการวัดจริง ทำให้เห็นประสิทธิภาพที่แท้จริงของอุปกรณ์ (Intrinsic Device Performance)

04 เทคนิคขั้นสูง

ในเทคโนโลยี sub-5nm หรือความถี่ระดับ mmWave ขึ้นไป (เช่น 6G, 77GHz Radar) ความท้าทายหลักคือ Parasitic Coupling และ Skin Effect ที่รุนแรงมาก การวัดบนเวเฟอร์ต้องใช้ความระมัดระวังสูงเรื่อง Probe contact resistance และการเปลี่ยนแปลงของค่าอุณหภูมิที่ส่งผลต่อ S-parameter

สำหรับ Power Amplifier (PA) Characterization เราใช้ระบบ Load-pull เพื่อหาจุด Optimum Impedance ที่ให้ค่า Output Power และ PAE (Power Added Efficiency) สูงสุด โดยการเปลี่ยนโหลดทางไฟฟ้าไปรอบๆ Smith Chart ในขณะที่ใส่สัญญาณ Modulated (เช่น 5G NR) เพื่อวัดค่า EVM (Error Vector Magnitude) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดความสามารถในการคงไว้ซึ่งความถูกต้องของข้อมูล (Signal Integrity) ภายใต้สภาวะ Non-linearity ของตัวอุปกรณ์

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

ในอุตสาหกรรม Semiconductor เครื่องมือหลักที่ใช้ได้แก่:

VNA/Network Analyzer: Keysight PNA-X Series หรือ Rohde & Schwarz ZNA ที่รองรับการวัดความถี่สูงระดับ THz
Probe Station: FormFactor (Cascade) หรือ MPI สำหรับการวัดแบบ On-wafer ด้วย GSG Probes
Load-Pull System: Maury Microwave ซึ่งเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในการทำ Impedance Tuner
EDA Software: Keysight PathWave ADS (Advanced Design System) หรือ Cadence Virtuoso สำหรับการทำ Electromagnetic (EM) Simulation เพื่อเทียบเคียงกับค่าที่วัดได้จริง (Correlation)

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ยักษ์ใหญ่ในวงการ Foundry เช่น TSMC, Samsung, และ Intel ให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับ RF Characterization เพื่อรับรองคุณภาพของ Process Design Kit (PDK) สำหรับลูกค้ากลุ่ม Smartphone และ 5G Infrastructure การวัดที่แม่นยำทำให้การทำ Tape-out เป็นไปตามคาดหมาย ลดรอบการดีไซน์ (Design Cycle Time) และเพิ่ม Yield ในการผลิต

ความต้องการในการวัด VNA และ Noise Figure ในระดับเชิงพาณิชย์ไม่ได้จำกัดแค่ใน Lab แต่ยังขยายไปถึง Production RF Test ซึ่งต้องใช้ระบบ Automated High-speed Measurement เพื่อวัดชิปนับล้านตัวในเวลาอันสั้น ซึ่งเป็นปัจจัยชี้ขาดความสามารถในการแข่งขันของบริษัทผู้ผลิตชิปในตลาด Global Supply Chain ที่มีการแข่งขันสูงตลอดเวลา