從地面到太空　商用衛星電子零組件必經的測試

（一）振動測試

衛星在地面製造組裝，需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響；組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射，首先會承受火箭的劇烈振動，振動測試機可以在地面模擬火箭發射，以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小，例如美國SpaceX獵鷹重型火箭（圖三）的振動測試參數，以每秒鐘10~2,000次的振動頻率，重力加速度到幾十倍，振動測試（圖四）可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

（二）音震測試

火箭發射過程也會產生音震（Acoustic Noise），尤其是面積大且薄的零件容易受音震影響，例如太陽能電池板，天線面板等。音震可能使這些零件破裂、機構損壞，功能異常。音震艙則是用來模擬火箭所產生的音震，測試時將液態氮汽化，此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力，再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙，測試音震艙內的衛星或零件（圖五）。

（三）衝擊測試

火箭離開地面抵達一定的高度時，各節火箭引擎開始陸續分離，接著整流罩展開釋放衛星入軌（圖六），這些過程都會產生衝擊（Shock），對衛星內部零件的焊接點、晶片，或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此也需要在地面先進行衝擊測試（圖七），了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

（四）電磁相容性測試（EMC）

此外，因各種電子零組件集中在火箭狹小空間內，衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務，因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試（EMC）（圖八），確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

（一）熱真空循環測試（Thermal Vacuum Cycling Test）

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行，大約九十分鐘繞行地球一圈，衛星繞軌飛行處於真空環境，同時也會面臨溫差挑戰，當衛星被太陽正面照射時，其溫度高達攝氏120度，遠離太陽時，溫度可能低到零下120度。另外，真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀，真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏（leak），或是零組件釋氣（Outgassing）產生汙染。

熱真空循環測試（Thermal Vacuum Cycling Test）（圖九）可模擬太空環境真空狀態與溫度變化，測試時將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內，再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射，此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態，須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長，也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

（二） 輻射測試

少了大氣層的保護，電子零組件在太空環境直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言，輻射環境包含輻射帶（Van Allen Belts）、銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Rays，GCR）以及太陽高能粒子（Solar Energetic Particles，SEP）（圖十），這些輻射環境充斥大量的電子、質子，以及少數的重離子（Heavy Ion）等，若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂（Upset）、當機，甚至永久性故障（圖十一）。衛星在軌道運行壽命短則幾個月，長則數十年，衛星在軌道運行時間越長，受輻射衝擊影響就越大。

輻射對電子零組件的影響有以下三大類：

1. 總電離劑量效應（Total Ionizing Dose Effect，TID）
電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是TID效應的主因，TID會造成MOS電晶體Threshold Voltage緩慢飄移，零件漏電因此逐漸增加，漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置，依賴太陽能蓄電，電力相當珍貴，若衛星內諸多的電子零件都在漏電，將造成衛星電力不足而失聯或失控。

2. 位移損傷效應（Displacement Damage，DD）
質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應，稱為位移損傷效應（DD），屬長期累積大量質子的物理性損傷，質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外，形成半導體的缺陷，零件漏電也會逐漸增加，其中光電零件對DD效應較敏感，例如影像感測元件，DD會造成影像品質降低，另外也會使衛星使用的太陽能電池（Solar Cell）轉換效率下降。

3. 單一事件效應（Single Event Effect，SEE）

TID與DD可看成慢性病，是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應，SEE（圖十二）則是屬於急性症狀，隨機發生，難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的SEE效應，而重離子比質子更容易引發SEE，太空環境的重離子數量雖然相對少，但殺傷力強，一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

SEE造成的故障可分成Soft ERROR與Hard Error兩大類。Soft Error的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等，重啟電路可恢復其運作，但若電子零組件對輻射很敏感，當機頻率過高則會影響任務執行，因此需以輻射測試評估其事件率（Event Rate）。Hard Error則是永久性故障，例如重離子容易引發半導體零件栓鎖（Latch-Up）現象，若沒有對應機制，零件可能因大電流燒毀，因此SEL（Single Event Latch-Up）是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

太空環境有各種能量的粒子（質子、電子、重離子…），能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼（鋁）阻擋，但衛星發射成本主要以重量計價，外殼厚度相當有限（通常為幾毫米厚的鋁材）；而高能量的粒子則會穿透衛星外殼，影響電子零組件運作，因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響，在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS電子零組件，都有一定的抗輻射能力，但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求（圖十三）。

COTS電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」，包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試，以及太空環境熱真空循環和輻射測試等（更多的測試項目不在此一一細數），通過這些測試後，更重要的是取得「飛行履歷」 （Flight Heritage），將產品發射上太空，若能成功執行各種任務，取得越多飛行履歷，產品的身價就越高，太空產業非常重視飛行履歷，飛行履歷也是產品最佳保證書。