1957年第一顆人造衛星發射後，現今已有近萬顆衛星在太空飛行，數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分，例如地圖導航、實況轉播等，另外．俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網，台灣也在0403花蓮地震首次使用低軌衛星技術，協助災區通訊。因此，發展衛星科技除了民生用途，也深具國家安全考量。
我國從2019年到2029年，於第3期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣400億元，進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算，至2030年，全球每年將發射1,700顆衛星升空，屆時將創造至少4,000億美元的產值。根據美國衛星產業協會（Satellite Industry Association）預計，全球太空經濟在2040年更有望突破1兆美元，其中衛星產業占比上看88％，達9,252億美元。
衛星按軌道高度可分成低軌（LEO<2,000 Km）、中軌（MEO<10,000 Km）以及地球同步軌道衛星（GEO~35,800 Km）（圖一），重量從幾公斤到數百公斤不等，其中SpaceX Starlink低軌通訊衛星近年轉商業化，開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星（CubeSat）造價門檻相對低，成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟，以及衛星發射和製造成本的降低，帶來龐大的太空商機，相應的電子零組件需求亦隨之增加，讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。
衛星是由幾個次系統整合而成，包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載（Payload）…等（圖二）。例如遙測衛星（Remote Sensing Satellite），其功能是繞地球軌道拍攝照片，其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向；影像感測器則是攝取影像的酬載，電力次系統負責電力儲存與電源管理，最後將照片透過通訊次系統傳回地面，衛星內部有我們熟知的各種電子零組件。
正統太空規的電子零組件要價不斐，且某些零件因各國管制政策不易取得，而商用現貨（Commercial Off-the-Shelf，簡稱 COTS），例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件，價格相對親民，性能好，供貨也較充沛，近年採用COTS執行太空任務是相當熱門的趨勢。
COTS電子零組件要上太空，需經過哪些驗證測試？本期宜特小學堂，將從火箭發射環境、太空環境，逐一說明COTS欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。
一、 3.2.1發射! 火箭發射對電子零組件的影響
（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。
圖三：美國SpaceX獵鷹重型火箭發射
（圖片來源: p.7, SPACE X FALCON USER’s GUIDE, August 2021）
（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。 
圖八:電磁相容性測試（圖片來源: European Space Agency）
（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。
圖十：地球軌道輻射環境 （圖片來源：宜特科技繪製）
圖十一：太空輻射對電子零組件的三大效應 （圖片來源：ESA）
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。
