太空經濟正逐步起飛，而由於正統太空規電子零組件價格高昂且不易取得，採用COTS元件執行太空任務成為熱門趨勢。本文將從火箭發射環境、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。
太空環境對電子零組件的影響
(承前文)衛星在經過火箭發射順利升空、進入軌道後，接下來需要確保衛星在太空環境中能夠正常運行。以下說明針對太空環境影響，需要進行的測試項目。
熱真空循環測試
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，溫度可能低至零下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8)可模擬太空環境的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。熱真空循環測試通常為期一週甚至更長，也是衛星或電子零組件常見的失效項目。
圖8 熱真空艙測試 (圖片來源：TriasRnD)
輻射測試
少了大氣層的保護，電子零組件在太空環境將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9)。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，甚至是永久性故障。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9 地球軌道輻射環境 (圖片來源：宜特科技繪製)
輻射對電子零組件的影響包括以下三大類(圖10)：
圖10 太空輻射對電子零組件的三大效應 (圖片來源：ESA)
電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射，是造成TID效應的主因。TID會使MOS電晶體臨界電壓(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，若衛星內諸多電子零件都在漏電，將導致衛星電力不足而失聯或失控。
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)，屬於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，形成半導體缺陷，零件漏電也會逐漸增加。其中，光電零件對DD效應較為敏感，例如影像感測元件。除了造成影像品質降低，DD也會使衛星使用的太陽能電池(Solar Cell)轉換效率下降。
TID與DD可視作慢性病，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11)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。太空環境中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。
圖11 單一事件效應的各種現象 (圖片來源：宜特科技繪製)
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，重啟電路即可恢復其運作，不過，若電子零組件對輻射十分敏感，當機頻率過高將影響任務執行，因此需要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，零件可能因大電流而燒毀，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。
太空環境包括具有各種能量的粒子(質子、電子、重離子等)，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，但衛星發射成本以重量計價，外殼厚度相當有限；高能量的粒子則會穿透衛星外殼，影響電子零組件運作。由此可見，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電子零組件都具備一定的抗輻射能力，但是必須經過測試，才能了解其輻射耐受度是否能夠滿足太空任務需求。
飛行履歷決定衛星身價
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)。產品發射上太空後，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。
第三方實驗室助攻 電子業者共食太空商機
全球太空經濟預計在2040年突破1兆美元，電子廠商紛紛投入太空市場。面對火箭與太空環境嚴苛的考驗，產品需要在地面模擬測試，以確保可在軌道順利運行。
第三方實驗室將可協助業者滿足太空應用的獨特要求，例如宜特身為太空環境測試第三方實驗室，於2019年與國研院太空中心合作，推動台灣太空產業發展。自2021年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟，宜特已完成數十個案例，包含類比、數位、記憶體、射頻等各種電子零組件輻射測試。宜特持續建構更完整的太空環境驗證測試能量，提供一站式服務，透過專業分工，協助國內外業者進行太空環境驗測，使廠商可以更專注在產品的設計與製造。
(本文作者為宜特科技協理)
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