Qualitätsmanagement in der Elektrotechnik: QM-System, Prüfplanung und Zuverlässigkeit

Qualitätsmanagement in der Elektrotechnik: QM-System, Prüfplanung und Zuverlässigkeit

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Qualitätsmanagement, QM-System, DIN EN ISO 9001, Prozessfähigkeit, PDCA-Zyklus, Qualitätsregelkarte, Zehnerregel, Prüfplan, Stichprobenprüfung, Pareto-Analyse, MTBF, Verfügbarkeit

tl/dr; (ca. 52 min Lesezeit): Qualität entsteht nicht in der Endprüfung, sondern in der Planung. Ein Qualitätsmanagementsystem nach DIN EN ISO 9001 legt fest, wer wofür verantwortlich ist, wie Abläufe dokumentiert und zertifiziert werden und wie sich ein Betrieb mit dem PDCA-Zyklus ständig verbessert. Du lernst, warum späte Fehler so teuer sind, wie aus Lasten- und Pflichtenheft ein Prüfplan mit Sollwerten und Toleranzen wird, welche Prüfarten es gibt (Eingangs-, Zwischen-, End-, 100-%- und Stichprobenprüfung, Burn-in, Umweltprüfungen), wie Baugruppen automatisiert mit Prüfadapter, AOI, In-Circuit-Test, Flying Probe und Boundary-Scan geprüft und Messgeräte per SCPI mit Python gesteuert werden, wie Du Prüfergebnisse mit Fehlerquote und Pareto-Analyse auswertest, Fertigungsprozesse mit Standardabweichung, Normalverteilung, Qualitätsregelkarte und den Kennwerten cp und cpk lenkst und wie Du mit MTBF, Ausfallrate, MTTR und Verfügbarkeit Komponenten auswählst und Instandhaltung planst [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)

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Ein Hersteller von LED-Wegeleuchten bekommt im Herbst einen Anruf: In einem Stadtpark sind nach dem ersten Winter vierzig Leuchten dunkel. Ein Monteur fährt hin, tauscht die Treiberplatinen, die Stadt bekommt eine Gutschrift. Die Ursache wird später gefunden: Ein Kondensator war für einen zu kleinen Temperaturbereich ausgesucht worden. Hätte das jemand beim Entwurf bemerkt, hätte die Korrektur ein paar Minuten am Bildschirm gekostet. So kostet sie Fahrten, Arbeitszeit, Ersatzteile und den Ruf des Unternehmens.

Genau darum geht es im Qualitätsmanagement (QM): Fehler gar nicht erst entstehen lassen, die unvermeidlichen möglichst früh finden und aus jedem Fehler so lernen, dass er sich nicht wiederholt. Das Übersichtsbild zeigt die vier Bausteine, die dieser Artikel nacheinander behandelt.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zum Qualitätsmanagement.

Schritt 1: Was ist Qualität, und warum lohnt sich ein QM-System?

Nach DIN EN ISO 9000 ist Qualität der Grad, in dem ein Produkt oder eine Dienstleistung die Anforderungen erfüllt. „Hohe Qualität“ heißt also nicht „möglichst teuer“, sondern „genau das, was vereinbart ist, zuverlässig und jedes Mal“. Die Anforderungen kommen vom Kunden (Funktion, Lebensdauer, Liefertermin), aus Gesetzen und Normen (Sicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit) und aus dem eigenen Betrieb (Kosten, Fertigbarkeit).

Ein Qualitätsmanagementsystem (QM-System) ist die Gesamtheit der Regeln, Abläufe und Zuständigkeiten, mit denen ein Unternehmen Qualität plant, lenkt, sichert und verbessert. In der Gerätefertigung und im Industriebetrieb verfolgt es vor allem diese Ziele:

• Kundenzufriedenheit: Produkte erfüllen die Anforderungen, Reklamationen werden schnell und nachvollziehbar bearbeitet.

• Liefertermintreue: Abläufe sind geplant und beherrscht, Nacharbeit und Ausschuss bremsen die Fertigung nicht aus.

• Fehlervermeidung statt Fehlerbeseitigung: Ursachen werden abgestellt, nicht nur Symptome behoben.

• Nachweisbarkeit: Prüfungen und Entscheidungen sind dokumentiert, etwa für Gewährleistung, Produkthaftung oder Audits von Kunden.

Die Zehnerregel: späte Fehler sind teuer

Der wirtschaftliche Nutzen eines QM-Systems wird an der Zehnerregel der Fehlerkosten deutlich: Die Kosten, einen Fehler zu beseitigen, steigen von Phase zu Phase des Produktlebenszyklus ungefähr um den Faktor 10. Ein falscher Bauteilwert, der im Entwurf auffällt, ist mit einem Klick korrigiert. In der Arbeitsvorbereitung müssen schon Stückliste und Bestückungsprogramm geändert werden, in der Fertigung ganze Lose nachgearbeitet, in der Endprüfung zusätzlich Geräte geöffnet, und beim Kunden kommen Rückruf, Fahrten, Gutschriften und Imageschaden dazu.

Die Grafik zeigt links die Kostenstufen (logarithmische Achse, als Vielfaches der Kosten im Entwurf) und rechts, wo Fehler typischerweise entstehen und wo sie entdeckt werden. Die meisten Fehler entstehen in Entwicklung und Planung, die meisten werden aber erst in Fertigung, Prüfung oder beim Kunden bemerkt. Die Lücke zwischen beiden Kurven ist das Geld, das ein QM-System sparen soll: Prüfungen und Reviews früh im Ablauf (Entwurfsprüfung, Erstmusterprüfung, FMEA) verschieben das Entdecken nach vorn.

Die Zahlen sind Faustwerte und keine Naturkonstante; sie zeigen die Größenordnung. Für die Beurteilung im Betrieb rechnest Du mit den eigenen Kosten: Was kostet ein Fehler, wenn er an dieser Stelle gefunden wird, und was kostet die Prüfung, die ihn dort finden würde?

Weitere Nutzen, die Betriebe nennen, wenn sie ein QM-System einführen:

• Prozessoptimierung: Wer seine Abläufe beschreibt, findet Doppelarbeit, Wartezeiten und Fehlerquellen.

• Mitarbeiterschulung: Klar beschriebene Abläufe und Qualifikationsnachweise machen Einarbeitung schneller und Ergebnisse unabhängiger von einzelnen Personen.

• weniger Fehlerkosten: weniger Ausschuss, Nacharbeit, Reklamationen und Gewährleistungsfälle.

• Marktzugang: Viele Auftraggeber (z. B. in der Automobil-, Bahn- oder Medizintechnik) beauftragen nur zertifizierte Lieferanten.

Schritt 2: Das QM-System nach DIN EN ISO 9001

Die international verbreitetste Norm für QM-Systeme ist DIN EN ISO 9001 („Qualitätsmanagementsysteme – Anforderungen“). Sie schreibt nicht vor, wie ein Gerät gebaut wird, sondern welche Anforderungen das Managementsystem erfüllen muss: Kontext und Risiken des Unternehmens bestimmen, Verantwortung der Leitung, Planung, Ressourcen und Kompetenz, Betrieb (von der Anforderung des Kunden bis zur Auslieferung), Bewertung der Leistung (Messen, interne Audits, Managementbewertung) und Verbesserung. Die Begriffe stehen in der DIN EN ISO 9000.

Wer ist zuständig?

• Die oberste Leitung (Geschäftsführung) trägt die Verantwortung für das QM-System. Sie legt Qualitätspolitik und Qualitätsziele fest, stellt Personal und Mittel bereit und bewertet das System regelmäßig. Diese Verantwortung kann sie nicht abgeben.

• Mit der Umsetzung und Koordination beauftragt sie meist eine Person, den oder die QM-Beauftragte. Sie pflegt die Dokumentation, plant interne Audits und berichtet der Leitung.

• Für die Qualität der eigenen Arbeit an ihrem Arbeitsplatz sind alle Mitarbeitenden verantwortlich: Wer eine Platine lötet, prüft seine Arbeit selbst (Selbstprüfung) und meldet Abweichungen.

Begriffe und Aufgaben des Qualitätsmanagements

Weitere Grundbegriffe:

• Qualitätsmerkmal bzw. Prüfmerkmal: eine messbare oder beurteilbare Eigenschaft, z. B. Ausgangsstrom, Isolationswiderstand, Lötstellenform.

• Sollwert (Nennwert) und Grenzwerte: Der Mindestwert und der Höchstwert begrenzen den zulässigen Bereich. Die Toleranz ist die Differenz zwischen Höchst- und Mindestwert: T = G_\mathrm{o} - G_\mathrm{u}. Ein Treiber mit 350\ \mathrm{mA} \pm 3\ \% darf zwischen 339{,}5\ \mathrm{mA} und 360{,}5\ \mathrm{mA} liefern; die Toleranz beträgt 21\ \mathrm{mA}.

• Fehler: Nichterfüllung einer Anforderung. Nach der Bedeutung unterscheidet man kritische Fehler (Gefahr für Personen), Hauptfehler (Funktion beeinträchtigt) und Nebenfehler (z. B. Kratzer). Systematische und zufällige Fehler behandelt der Artikel Systematische Fehlersuche und Fehleranalyse.

Die Maßnahmen lassen sich danach ordnen, wo sie ansetzen:

• innerbetriebliche (technisch-organisatorische) Maßnahmen: Prüfplanung und Prüfstellen im Prozess, Prüfmittelüberwachung (Kalibrieren nach festem Intervall), Verfahrens- und Arbeitsanweisungen, Rückverfolgbarkeit, Lieferantenbewertung, Wartung der Fertigungsanlagen.

• personelle Maßnahmen: Schulung und Unterweisung, Qualifikationsnachweise (z. B. Lötzertifikat nach IPC-A-610), Selbstprüfung, Qualitätszirkel, betriebliches Vorschlagswesen, Einbeziehen der Mitarbeitenden in die Qualitätsziele.

QM-Handbuch und mitgeltende Dokumente

Das QM-Handbuch beschreibt das QM-System eines Unternehmens: Qualitätspolitik und -ziele, Aufbau des Unternehmens und Zuständigkeiten, die wichtigsten Prozesse und wie sie zusammenwirken, und es verweist auf die mitgeltenden Dokumente. Darunter liegen Verfahrensanweisungen (wer macht was wann in einem Ablauf, z. B. „Reklamationsbearbeitung“) und Arbeits- und Prüfanweisungen für einzelne Arbeitsplätze (z. B. „Endprüfung Treiberplatine“). Ganz unten stehen die Aufzeichnungen: ausgefüllte Prüfprotokolle, Kalibrierscheine, Schulungsnachweise. Die ISO 9001 verlangt seit der Ausgabe 2015 kein Handbuch mehr ausdrücklich, sondern „dokumentierte Information“; viele Betriebe führen es trotzdem, weil es Kunden, Auditoren und neuen Mitarbeitenden den Überblick gibt.

Zertifizierung

Bei der Zertifizierung prüft eine unabhängige, akkreditierte Zertifizierungsstelle (in Deutschland von der DAkkS akkreditiert) in einem Audit, ob das QM-System die Anforderungen der Norm erfüllt und im Alltag auch gelebt wird. Sie befragt Mitarbeitende, sieht Aufzeichnungen ein und beobachtet Abläufe. Ist alles in Ordnung, erhält das Unternehmen ein Zertifikat, das drei Jahre gilt; dazwischen finden jährliche Überwachungsaudits statt, danach ein Wiederholungsaudit. Das Zertifikat ist ein Nachweis gegenüber Kunden, garantiert aber nicht, dass jedes einzelne Produkt fehlerfrei ist: Zertifiziert wird das System, nicht das Gerät.

Neu: ISO 9001:2026

Im September 2026 ist die überarbeitete ISO 9001:2026 erschienen. Die Grundstruktur bleibt, wichtige Neuerungen sind:

• Klimawandel als Kontextfaktor: Unternehmen müssen prüfen, ob der Klimawandel für ihr QM-System relevant ist (z. B. Lieferketten, Hitze in der Fertigung, Anforderungen der Kunden).

• Qualitätskultur und ethisches Verhalten: Die Leitung soll eine Kultur fördern, in der Qualität und ethisches Handeln selbstverständlich sind.

• Harmonisierte Struktur: Gliederung und Kernbegriffe sind an die anderer Managementsystemnormen (z. B. ISO 14001 Umwelt, ISO 45001 Arbeitsschutz) angeglichen; das erleichtert integrierte Managementsysteme.

• Übergangsfrist: Zertifikate nach ISO 9001:2015 bleiben für eine Übergangszeit von drei Jahren gültig und müssen in dieser Zeit auf die neue Ausgabe umgestellt werden.

Normen bei Prüfung und Instandhaltung beachten

Auch die Instandhaltung von Fertigungs- und Prüfanlagen gehört ins QM-System. Bei der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen sind vor allem diese Normen zu beachten: DIN 31051 (Grundmaßnahmen Wartung, Inspektion, Instandsetzung, Verbesserung) und DIN EN 13306 (Begriffe der Instandhaltung); die ISO 9001 verlangt, dass Mess- und Prüfmittel überwacht, kalibriert und rückführbar sind und dass die Infrastruktur instand gehalten wird. Für elektrische Anlagen und Geräte kommen die Prüfnormen hinzu (z. B. DIN VDE 0105-100, DIN VDE 0701/0702).

Schritt 3: Ständig besser werden – PDCA, KVP und Qualitätszirkel

Ein QM-System ist nie fertig. Der kontinuierliche Verbesserungsprozess (KVP), japanisch Kaizen, setzt auf viele kleine Verbesserungen statt auf seltene große Umbrüche. Sein Werkzeug ist der PDCA-Kreis (Deming-Kreis) mit vier Stufen:

Das Bild zeigt den PDCA-Kreis, der eine schiefe Ebene hinaufrollt. Der Keil darunter steht für den Standard: Was in „Act“ festgeschrieben wird, verhindert, dass der Kreis wieder zurückrollt und alte Fehler zurückkehren.

Damit der KVP nicht nur auf dem Papier steht, gibt es zwei bewährte Formen der Beteiligung:

• Qualitätszirkel: eine kleine Gruppe (etwa fünf bis zehn Mitarbeitende) aus einem oder mehreren Arbeitsbereichen trifft sich regelmäßig, meist moderiert, um Probleme ihres Arbeitsbereichs zu analysieren und Lösungen zu erarbeiten. Die Beteiligten kennen die Abläufe am besten; die Lösungen werden eher angenommen, weil sie nicht „von oben“ kommen.

• Betriebliches Vorschlagswesen (Ideenmanagement): Jede und jeder kann Verbesserungsvorschläge einreichen; sie werden geprüft, umgesetzt und oft prämiert.

Einen Verbesserungsvorschlag begründest Du am besten so, wie es der PDCA-Kreis nahelegt: Ist-Zustand und Problem (mit Zahlen, wenn möglich), vorgeschlagene Maßnahme, erwarteter Nutzen (Zeit, Kosten, Fehler, Sicherheit), Aufwand und wie man die Wirkung überprüfen kann. „Die Prüfadapter verschleißen“ ist eine Beschwerde; „Die Federkontaktstifte des Prüfadapters erreichen nach etwa 20 000 Kontaktierungen ihre Lebensdauer, danach steigt die Zahl der Fehlprüfungen; ein Zähler am Adapter mit Tauschintervall bei 15 000 spart geschätzt zwei Stunden Nachprüfung pro Woche“ ist ein Vorschlag.

Schritt 4: Prüfplanung – vom Pflichtenheft zum Prüfplan

Lastenheft und Pflichtenheft

Am Anfang jedes Auftrags stehen die Anforderungen. Nach DIN 69901-5 unterscheidet man:

Wie Anforderungen ermittelt und dokumentiert werden, beschreibt der Artikel Anforderungen dokumentieren ausführlicher. Für die Prüfplanung ist das Pflichtenheft entscheidend: Jede überprüfbare Spezifikation wird ein Prüfmerkmal. Daraus ergeben sich die Anforderungen an das Prüfsystem: welche Größen es messen muss, mit welcher Genauigkeit (Faustregel: Messunsicherheit höchstens ein Zehntel der Toleranz), in welchen Betriebszuständen (Last, Temperatur, Versorgungsspannung), wie schnell (Taktzeit der Fertigung), mit welcher Kontaktierung (Prüfadapter, Steckverbinder) und wie die Ergebnisse gespeichert werden (Seriennummer, Rückverfolgbarkeit).

Einen Prüfplan erstellen

Ein Prüfplan legt für ein Bauteil, eine Baugruppe oder ein Gesamtsystem fest, was, wie, womit, wann und wie oft geprüft wird. Zu jedem Prüfschritt gehören die Prüfbedingung, der Sollwert mit Mindest- und Höchstwert, das Prüfmittel und die Prüfdauer. Das Beispiel zeigt einen Ausschnitt für die Endprüfung einer LED-Treiberplatine:

Aus den Prüfdauern lässt sich der Zeitbedarf abschätzen: Die fünf Schritte dauern zusammen 65\ \mathrm{s}, mit etwa 25\ \mathrm{s} für Einlegen, Kontaktieren und Entnehmen sind es 90\ \mathrm{s} je Platine, also 40 Platinen je Stunde an einem Prüfplatz. Reicht das für die geplante Stückzahl nicht, braucht es einen zweiten Prüfplatz, einen Mehrfachadapter oder automatisierte Prüfschritte. Die Einstellbereiche des Prüfsystems (Quelle, Last, Messbereiche) müssen die Minimal- und Maximalwerte aller Prüfschritte mit Reserve abdecken.

Bei einer Änderung des Produkts wird das Prüfsystem angepasst: Welche Prüfmerkmale sind neu oder geändert? Reichen Messbereiche und Genauigkeit? Muss der Prüfadapter umgebaut, das Prüfprogramm erweitert und neu freigegeben werden? Eine Erstmusterprüfung mit bekannten Gut- und Schlechtteilen zeigt, ob das angepasste System richtig entscheidet.

Prüfsystem im Team erstellen

Ein Prüfsystem entsteht selten allein: Elektronik (Messschaltungen, Lastnachbildung), Mechanik (Adapter, Gehäuse), Software (Prüfprogramm, Datenbank) und Fertigung (Taktzeit, Bedienung) arbeiten zusammen. Bewährt hat sich, die Arbeit in Arbeitspakete mit je einer verantwortlichen Person zu teilen, Schnittstellen früh festzulegen (Steckverbinder, Signalpegel, Datenformat), Termine und Abhängigkeiten in einem Zeitplan festzuhalten und in kurzen regelmäßigen Treffen den Stand abzugleichen. Wer ein Arbeitspaket übernimmt, ist für Ergebnis, Dokumentation und rechtzeitige Meldung von Problemen verantwortlich.

Prüfstellen im Fertigungsprozess festlegen

Prüfungen gehören an die Stellen im Ablauf, an denen ein Fehler entsteht oder an denen er später nur noch teuer zu finden wäre. Man unterscheidet nach dem Prüfzeitpunkt:

• Wareneingangsprüfung (Eingangsprüfung): angelieferte Bauteile und Zulieferteile vor der Einlagerung (Menge, Typ, Beschädigung, Stichprobe der Kennwerte, Prüfzeugnis des Lieferanten).

• Zwischenprüfung: nach einzelnen Fertigungsschritten, z. B. Lotpastendruck (SPI), automatische optische Inspektion (AOI) nach dem Löten, In-Circuit-Test (ICT) der bestückten Platine.

• Endprüfung: Funktions- und Sicherheitsprüfung des fertigen Geräts vor dem Versand.

Wichtig ist der Rückpfeil im Bild: Prüfergebnisse werden nicht nur abgelegt, sondern an die Stelle zurückgemeldet, die den Fehler verursacht hat. Erst dann wird aus Prüfen Qualitätslenkung.

Schritt 5: Prüfarten unterscheiden

100-%-Prüfung oder Stichprobenprüfung?

Nach dem Prüfumfang unterscheidet man:

Bei der Stichprobenprüfung legt ein Stichprobenplan (z. B. nach DIN ISO 2859-1) fest, wie viele Teile aus einem Los gezogen werden und wie viele fehlerhafte Teile höchstens darin sein dürfen, damit das Los angenommen wird. Die Stichprobe muss zufällig gezogen werden; wer nur die obersten Teile aus der Kiste nimmt, prüft vielleicht nur den Anfang einer Charge. Ein zerstörend geprüftes Teil kann natürlich nicht ausgeliefert werden; das ist ein Grund mehr für die Stichprobe.

Eingangsprüfung und Ausfallmeldung an den Zulieferer

Die Eingangsprüfung stellt sicher, dass nur geeignete Teile in die Fertigung gelangen. Ein fehlerhaftes Bauteil, das am Wareneingang 50 Cent kostet, verursacht als Ausfall beim Kunden ein Vielfaches (Zehnerregel). Bei Lieferanten mit nachgewiesener Qualität (zertifiziert, gute Lieferantenbewertung) wird die Prüfung oft auf eine Identitäts- und Mengenprüfung reduziert.

Fallen Bauteile in der Fertigung oder im Feld aus, wird der Ausfall dokumentiert und an den Zulieferer gemeldet (Ausfallmeldung, Reklamation). Das hat mehrere Gründe:

• Der Zulieferer kann die Ursache untersuchen, seine Fertigung verbessern und betroffene Chargen sperren.

• Gehäufte Ausfälle werden erst durch gesammelte Meldungen sichtbar; einzelne Meldungen ergeben ein Muster.

• Gewährleistungs- und Regressansprüche lassen sich nur mit dokumentierten Nachweisen durchsetzen.

• Die Meldungen fließen in die Lieferantenbewertung ein und helfen bei der Auswahl künftiger Lieferanten.

Warum prüfen externe Stellen sicherheitsrelevante Einrichtungen?

Aufzüge, Druckbehälter, Brandmeldeanlagen, Sicherheitsbeleuchtung oder Medizinprodukte werden nicht nur vom Betreiber oder Hersteller selbst, sondern von externen, unabhängigen Stellen geprüft (z. B. zugelassene Überwachungsstellen nach Betriebssicherheitsverordnung, Prüfsachverständige, benannte Stellen). Die Gründe:

• Unabhängigkeit: Wer selbst gebaut oder gewartet hat, übersieht eigene Fehler leichter und steht unter Kosten- und Termindruck. Eine externe Stelle hat kein Interesse am Ergebnis.

• rechtliche Vorgaben: Für viele Anlagen schreiben Gesetze und Verordnungen die Prüfung durch eine zugelassene Stelle vor.

• Fachkunde und Prüfmittel: Die Prüfstellen sind auf die Prüfung spezialisiert, akkreditiert und verfügen über kalibrierte Spezialprüfmittel.

• Haftung und Vertrauen: Ein unabhängiger Nachweis entlastet den Betreiber und schafft Vertrauen bei Behörden, Versicherern und Nutzern.

Burn-in, Klimasimulation und andere Zusatzprüfungen

Manche Fehler zeigen sich erst nach Stunden im Betrieb oder unter rauen Bedingungen. Dafür gibt es Zusatzprüfungen, meist nach der Normreihe DIN EN 60068-2 (Umweltprüfungen):

Beim Burn-in nutzt man den Verlauf der Ausfallrate über der Zeit, die Badewannenkurve: Am Anfang treten Frühausfälle auf (Fertigungsfehler, schwache Bauteile), danach ist die Ausfallrate lange niedrig und etwa konstant (Zufallsausfälle), am Ende steigt sie durch Verschleiß wieder an. Der Burn-in verlegt den Bereich der Frühausfälle in die Fertigung, sodass ausgelieferte Geräte gleich im flachen Teil der Kurve beginnen. Die Kurve selbst ist im Artikel Systematische Fehlersuche und Fehleranalyse gezeichnet.

Die Ergebnisse von Zusatzprüfungen werden bewertet: Hat das Gerät während und nach der Prüfung die Grenzwerte eingehalten? Welche Fehler sind aufgetreten, bei welcher Belastung und nach welcher Zeit? Ein einzelner Ausfall in der Temperaturwechselprüfung kann auf einen Konstruktionsfehler (systematisch, betrifft alle Geräte) oder einen Fertigungsfehler (einzelne Lötstelle) hinweisen; das klärt die Fehleranalyse.

Hardware-in-the-Loop-Test

Steuergeräte, etwa für Fahrzeuge, Windkraftanlagen oder Antriebe, lassen sich schlecht an der echten Anlage testen: zu teuer, zu gefährlich, Fehlerfälle nicht beliebig herstellbar. Beim Hardware-in-the-Loop-Test (HIL) wird das reale Steuergerät an einen Echtzeitrechner angeschlossen, der seine Umgebung (Sensoren, Aktoren, Strecke) simuliert. Das Steuergerät „merkt“ nicht, dass die Anlage nur simuliert ist. So lassen sich auch Grenzfälle wie Sensorausfall, Kurzschluss oder Übertemperatur gefahrlos, wiederholbar und automatisiert prüfen.

Automatisierte Prüfung in der Baugruppenfertigung

Wer jeden Tag Tausende Platinen fertigt, kann nicht jede mit Multimeter und Lupe prüfen. Die Prüfstellen aus Schritt 4 sind deshalb meist automatisiert: Ein Prüfsystem kontaktiert die Baugruppe, legt Spannungen und Signale an, misst die Antworten, vergleicht sie mit den Grenzwerten des Prüfplans und speichert das Ergebnis zusammen mit der Seriennummer. Aus welchen Komponenten ein Prüfsystem besteht (Prüfling, Prüfadapter, Steuereinheit, Stimulus- und Messgeräte, Stromversorgung) und wie Du es als Blockschaltbild zeichnest, beschreibt der Artikel Näherungsschalter, Weg- und Kraftsensoren, Drehgeber, Schritt 14. Hier geht es darum, wie die Baugruppe kontaktiert wird, welche Prüfverfahren sich ergänzen und wie ein Prüfrechner die Messgeräte steuert. Das Bild zeigt einen solchen Prüfplatz für eine Platine.

Prüfadapter und Kontaktierung

Der Prüfadapter (fixture) verbindet den Prüfling elektrisch und mechanisch mit dem Prüfsystem. Wie er aufgebaut ist und warum dafür schon im Layout Testpunkte vorgesehen werden müssen, steht im Artikel Geräteaufbau und mechanische Bearbeitung. Je nach Prüfaufgabe wählst Du eine dieser Kontaktierungen:

Die Kontaktierung beeinflusst das Prüfergebnis. Typische Einflüsse:

• Übergangswiderstand: Jeder Prüfstift hat einen Übergangswiderstand von einigen 10\ \mathrm{m\Omega}, verschmutzt (Flussmittelreste, Oxid) auch deutlich mehr. Bei kleinen Widerständen und großen Strömen verfälscht er das Ergebnis. Dann misst man in Vierleitertechnik (Kelvin-Kontaktierung): zwei Stifte je Messpunkt, einer für den Strom, einer für die Spannung.

• Verschleiß: Federkontaktstifte halten je nach Bauart einige 100\,000 Kontaktierungen. Abgenutzte, verbogene oder verschmutzte Stifte treffen den Testpunkt nicht mehr sicher. Die Folge sind sporadische Fehlermeldungen an guten Platinen (Pseudofehler).

• Leitungen im Adapter: Länge, Kapazität und Induktivität der Adapterverdrahtung verändern schnelle Signale und kleine Kapazitätswerte. Der Adapter wird deshalb kompensiert (Leermessung ohne Prüfling abziehen).

• Mechanik: Toleranzen von Platine und Aufnahme (Passstifte in Fangbohrungen) entscheiden, ob jeder Stift seinen Testpunkt trifft. Zu hohe oder ungleich verteilte Federkräfte biegen die Platine; Keramikkondensatoren können dabei Risse bekommen, die erst später beim Kunden ausfallen.

Der Adapter gehört deshalb zur Prüfmittelüberwachung: Kontaktierungen zählen, Stifte reinigen und nach festem Intervall tauschen und regelmäßig mit einem bekannt guten Referenzprüfling (golden board) und einem Prüfling mit bekannten Fehlern kontrollieren, ob das System richtig entscheidet. Wie Prüfmittel allgemein überwacht werden, beschreibt der Artikel Abgleich, Justage und Kalibrierung.

AOI, In-Circuit-Test, Flying Probe und Funktionstest

In der Baugruppenfertigung ergänzen sich mehrere automatisierte Prüfverfahren. Keines findet alle Fehler; deshalb werden sie hintereinander eingesetzt:

Verdeckte Lötstellen unter BGA- und QFN-Gehäusen macht die automatische Röntgeninspektion (AXI) sichtbar, oder man prüft ihre Verbindungen elektrisch mit dem Boundary-Scan (nächster Abschnitt). Bei der AOI wird die Prüfschärfe eingestellt: zu streng ergibt viele Pseudofehler, die von Hand nachkontrolliert werden müssen; zu großzügig lässt echte Fehler durch (Schlupf).

Prüfeinrichtungen stehen in der Linie; fällt eine aus, steht die Fertigung. Sie brauchen deshalb eine geplante Instandhaltung (siehe Instandhaltung, Reparatur und Service):

• AOI: Optik und Beleuchtung reinigen, Kamera mit einer Kalibrierplatte kalibrieren, Prüfprogramm pflegen (neue Bauteilvarianten), Pseudofehler- und Schlupfquote beobachten.

• ICT und Flying Probe: Prüfstifte bzw. Prüfspitzen nach Zyklenzahl tauschen, Achsen und Messkarten kalibrieren, täglichen Selbsttest fahren, Verschleißteile auf Lager halten.

• Funktionstest: Mess- und Stimulusgeräte im Kalibrierintervall kalibrieren, Prüfsoftware versioniert ändern und nach jeder Änderung mit Referenzprüflingen freigeben.

Boundary-Scan nach IEEE 1149.1 (JTAG)

Auf dicht bestückten Platinen ist für Testpunkte oft kein Platz, und die Anschlüsse von BGA-Gehäusen liegen unsichtbar unter dem Bauteil. Der Boundary-Scan-Test nach IEEE 1149.1 prüft die Verbindungen zwischen solchen Bausteinen ohne Nadelbett. Nach der Arbeitsgruppe, die ihn entwickelt hat (Joint Test Action Group), heißt die Schnittstelle JTAG. Über dieselbe Schnittstelle werden oft auch Mikrocontroller programmiert und debuggt (siehe Mikrocontroller programmieren).

Das Prinzip: In einem boundary-scan-fähigen IC sitzt zwischen jedem Anschlusspin und der inneren Logik eine Boundary-Scan-Zelle. Alle Zellen eines ICs bilden zusammen ein Schieberegister, und die ICs einer Platine werden zu einer Kette verbunden (TDO des einen an TDI des nächsten). Über vier Leitungen steuert ein JTAG-Controller die ganze Kette:

Ein Verbindungstest (Befehl EXTEST) läuft so ab:

1. Der Controller schiebt ein Testmuster in die Zellen der Ausgangspins von IC 1.

2. Die Zellen legen das Muster an die Pins; die Pegel laufen über die Leiterbahnen zu IC 2.

3. Die Zellen der Eingangspins von IC 2 übernehmen die anliegenden Pegel (Capture).

4. Der Controller schiebt die gelesenen Werte heraus und vergleicht sie mit den erwarteten.

Mit mehreren Mustern nacheinander bekommt jede Leiterbahn ein eigenes Bitmuster. Liest IC 2 an einem Netz unabhängig vom Muster immer denselben Pegel, ist die Verbindung unterbrochen (der Eingang hängt dann z. B. an einem Pull-up). Lesen zwei Netze dasselbe Bitmuster, das keinem der beiden gesendeten entspricht, sind sie kurzgeschlossen; bei vielen Bausteinen setzt sich dabei der Low-Pegel durch, man liest also die UND-Verknüpfung beider Muster.

Weitere Befehle sind BYPASS (ein IC wird mit einem 1-Bit-Register überbrückt, damit die Kette kurz bleibt), SAMPLE/PRELOAD (Pinzustände im laufenden Betrieb lesen bzw. Muster vorladen) und IDCODE (Hersteller- und Typkennung auslesen; so erkennt der Test auch falsch bestückte ICs). Welche Zelle zu welchem Pin gehört, beschreibt für jeden Baustein eine BSDL-Datei (Boundary Scan Description Language) des Herstellers; die Prüfsoftware erzeugt daraus und aus der Netzliste die Testmuster.

Grenzen: Geprüft werden nur Netze, an denen boundary-scan-fähige Pins hängen. Bauteilwerte, analoge Schaltungsteile und Netze zwischen einfachen Bausteinen ohne JTAG erfasst der Test nicht direkt. Die JTAG-Signale müssen im Layout an einen Stecker oder an Testpunkte geführt werden, sonst ist der Test später nicht möglich.

Messgeräte fernsteuern: SCPI und VISA mit Python

Im Funktionstest stellt der Prüfrechner Netzgerät, Multimeter oder Oszilloskop selbst ein und liest die Messwerte. Fast alle Labormessgeräte verstehen dafür SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments), eine Befehlssprache auf Grundlage von IEEE 488.2:

• Befehle sind als Baum aufgebaut, die Ebenen sind durch Doppelpunkte getrennt: MEASure:VOLTage:DC?. Die Großbuchstaben bilden die Kurzform MEAS:VOLT:DC?; beide Formen sind gleichwertig.

• Ein Fragezeichen macht den Befehl zur Abfrage, das Gerät antwortet mit einem Text, z. B. 4.9873E+00. Befehle ohne Fragezeichen stellen etwas ein, z. B. VOLT 12.0 (Sollspannung) oder OUTP ON (Ausgang einschalten).

• Allgemeine Befehle nach IEEE 488.2 beginnen mit *: *IDN? (Hersteller, Typ, Seriennummer, Firmware), *RST (Grundzustand), *CLS (Statusregister löschen). Mit SYST:ERR? liest Du die Fehlerliste des Geräts.

• Der Grundwortschatz ist genormt, Spezialbefehle unterscheiden sich je Hersteller; die Programmieranleitung des Geräts ist deshalb Pflichtlektüre.

Die Verbindung zum Gerät übernimmt VISA (Virtual Instrument Software Architecture), eine herstellerübergreifende Schnittstellenbibliothek. Das Programm spricht jedes Gerät über eine Ressourcenadresse an, egal ob es über USB (USB0::…::INSTR), LAN (TCPIP0::192.168.10.21::INSTR), GPIB (GPIB0::12::INSTR) oder seriell (ASRL3::INSTR) angeschlossen ist. In Python gibt es dafür die Bibliothek PyVISA.

Den Prüfablauf organisiert ein Test-Framework wie pytest: Jeder Prüfschritt des Prüfplans wird eine Funktion test_…, die mit assert den Messwert gegen die Grenzwerte prüft. Eine Fixture verbindet die Geräte einmal vor den Prüfschritten und schaltet sie danach sicher ab. Das Beispiel prüft die Stromaufnahme einer Sensorplatine und die Spannung ihres 5-V-Reglers; das Multimeter ist im Adapter fest an den Reglerausgang angeschlossen:

# pruefung_sensorplatine.py - Funktionsprüfung mit pytest und PyVISA
import pyvisa
import pytest

NETZGERAET = "TCPIP0::192.168.10.21::INSTR"         # Adressen laut Prüfplatzplan
MULTIMETER = "USB0::0x1234::0x5678::MY000123::INSTR"

@pytest.fixture(scope="module")
def geraete():
    rm = pyvisa.ResourceManager()
    ng = rm.open_resource(NETZGERAET)
    dmm = rm.open_resource(MULTIMETER)
    for g in (ng, dmm):
        g.read_termination = "\n"
        g.write("*RST")
    ng.write("VOLT 12.0")      # Versorgung des Prüflings
    ng.write("CURR 0.30")      # Strombegrenzung schützt Prüfling und Adapter
    ng.write("OUTP ON")
    yield ng, dmm
    ng.write("OUTP OFF")       # nach der Prüfung immer abschalten
    rm.close()

def test_stromaufnahme(geraete):
    ng, dmm = geraete
    strom = float(ng.query("MEAS:CURR?"))
    assert 0.040 <= strom <= 0.080          # Grenzwerte aus dem Prüfplan in A

def test_reglerausgang(geraete):
    ng, dmm = geraete
    spannung = float(dmm.query("MEAS:VOLT:DC?"))
    assert 4.90 <= spannung <= 5.10         # 5 V ± 2 %

Mit pytest pruefung_sensorplatine.py --junitxml=protokoll.xml laufen alle Prüfschritte nacheinander; pytest meldet je Schritt bestanden oder nicht bestanden und schreibt einen maschinenlesbaren Bericht, den die Prüfsoftware mit der Seriennummer des Prüflings ablegt. Weil Prüfprogramme selbst Fehler enthalten können, testet man sie vorher mit simulierten Geräten (z. B. pyvisa-sim) und gibt sie erst nach einer Prüfung mit Referenzprüflingen frei.

Schritt 6: Prüfergebnisse auswerten

Prüfdaten sind erst dann wertvoll, wenn jemand sie auswertet. Die wichtigsten Kennzahlen:

• Fehlerquote (Fehleranteil): Anteil fehlerhafter Einheiten an allen geprüften, p = \dfrac{n_\mathrm{fehlerhaft}}{n_\mathrm{geprüft}} \cdot 100\ \%. Bei sehr kleinen Anteilen in ppm (parts per million): 1\ \mathrm{ppm} = 10^{-6}, also 0{,}01\ \% = 100\ \mathrm{ppm}.

• Fehlerhäufigkeit je Fehlerart: wie oft jede Fehlerart in einem Zeitraum aufgetreten ist (absolute Häufigkeit) und welchen Anteil sie an allen Fehlern hat (relative Häufigkeit).

Bei der Pareto-Analyse werden die Fehlerarten nach ihrer Häufigkeit absteigend sortiert und als Balken dargestellt; eine Linie zeigt den aufsummierten (kumulierten) Anteil. Meist verursachen wenige Fehlerarten den größten Teil aller Fehler (Faustregel 80/20). Das Beispiel zeigt 100 Fehler einer Lötlinie in einer Woche:

Lötbrücken und fehlende Bauteile machen zusammen schon 67\ \% aller Fehler aus. Eine Maßnahme gegen diese beiden Fehlerarten (z. B. Schablone und Lotpastenmenge prüfen, Zuführungen der Bestückungsmaschine warten) bringt also mehr als Arbeit an den vier anderen zusammen. Typische Maßnahmen zur Optimierung des Fertigungsprozesses sind:

• Ursachen der häufigsten Fehlerarten analysieren (z. B. Ursache-Wirkungs-Diagramm) und abstellen.

• Prozessparameter (Lötprofil, Pastenmenge, Bestückkraft) anpassen und überwachen.

• Prüfstellen verschieben oder ergänzen, damit Fehler früher auffallen.

• Layout oder Bauteilauswahl ändern (fertigungsgerechte Konstruktion).

• Mitarbeitende schulen, Arbeitsanweisungen verbessern.

Ob eine Maßnahme wirkt, zeigt erst die nächste Auswertung: Das ist der Check im PDCA-Kreis.

Fertigungstoleranzen und statistische Prozesslenkung

Fehlerquote und Pareto-Analyse zählen Fehler, die schon passiert sind. Besser ist es, einen Fertigungsprozess so zu überwachen, dass Du eine Veränderung bemerkst, bevor Teile außerhalb der Toleranz entstehen. Das ist die Aufgabe der statistischen Prozesslenkung (SPC, Statistical Process Control): Aus kleinen Stichproben wird laufend berechnet, wo der Prozess liegt und wie stark er streut. Als Beispiel dient die Endprüfung eines Netzteils, dessen Ausgangsspannung im Prüfplan mit 15{,}00\ \mathrm{V} \pm 0{,}20\ \mathrm{V} steht.

Nennwert, Grenzwerte und Toleranzfeld

Jede Prüfgröße hat einen Nennwert (Sollwert) und eine Toleranz, die zulässige Abweichung davon. Daraus folgen der untere Grenzwert (UGW) und der obere Grenzwert (OGW); der Bereich dazwischen ist das Toleranzfeld mit der Breite T = \mathrm{OGW} - \mathrm{UGW}. Für das Netzteil gilt \mathrm{UGW} = 14{,}80\ \mathrm{V}, \mathrm{OGW} = 15{,}20\ \mathrm{V} und T = 0{,}40\ \mathrm{V}. Jeder Messwert im Toleranzfeld ist in Ordnung, jeder außerhalb ist Ausschuss oder muss nachgearbeitet werden. Wie Du einzelne Messwerte mit Soll- und Toleranzangaben vergleichst, steht im Artikel Abgleich, Justage und Kalibrierung. Mechanische Teile tragen ihre Toleranzen in der Zeichnung; Maße ohne eigene Angabe fallen unter die Allgemeintoleranz im Schriftfeld (z. B. ISO 2768-m, siehe Geräteaufbau und mechanische Bearbeitung).

Zufällige und systematische Streuung

Kein Prozess liefert zweimal genau denselben Wert. Die Ursachen lassen sich in zwei Gruppen teilen:

• Zufällige Streuung entsteht aus vielen kleinen, voneinander unabhängigen Einflüssen: Bauteiltoleranzen innerhalb einer Charge, kleine Schwankungen von Löttemperatur, Netzspannung oder Raumtemperatur, Rauschen der Messung. Die Werte schwanken unregelmäßig um einen festen Mittelwert. Ein Prozess, der nur zufällig streut, gilt als beherrscht (stabil).

• Systematische Einflüsse verschieben den Mittelwert in eine Richtung oder vergrößern die Streuung: eine neue Bauteilcharge, ein verstelltes Werkzeug, verschlissene Prüfstifte, eine Messkette, die sich während der Schicht erwärmt, ein neuer Bediener ohne Einweisung. Sie haben eine bestimmte Ursache, die Du finden und abstellen kannst.

Die Unterscheidung kennst Du von den Messabweichungen (siehe Messfehler, Messunsicherheit und Kennlinienaufnahme). In der Fertigung ist sie die Grundlage jeder Eingriffsentscheidung: Gegen zufällige Streuung hilft kein Nachstellen, systematische Einflüsse müssen beseitigt werden.

Mittelwert, Spannweite und Standardabweichung

Aus einer Stichprobe von n Messwerten x_1 \ldots x_n berechnest Du drei Kennwerte:

\bar{x} = \frac{x_1 + x_2 + \ldots + x_n}{n} \qquad R = x_\mathrm{max} - x_\mathrm{min} \qquad s = \sqrt{\frac{\sum (x_i - \bar{x})^2}{n - 1}}

Der Mittelwert \bar{x} zeigt die Lage des Prozesses, die Spannweite R und die Standardabweichung s zeigen die Streuung. Die Spannweite ist schnell gerechnet, nutzt aber nur zwei Werte; die Standardabweichung berücksichtigt alle. Beispiel: Eine Stichprobe von fünf Netzteilen liefert 15{,}05; 14{,}98; 15{,}07; 15{,}02 und 15{,}03\ \mathrm{V}. Dann ist \bar{x} = 15{,}03\ \mathrm{V}, R = 15{,}07\ \mathrm{V} - 14{,}98\ \mathrm{V} = 0{,}09\ \mathrm{V} und s \approx 0{,}034\ \mathrm{V}. Wie Du diese Kennwerte allgemein berechnest und deutest, beschreibt der Artikel Daten auswerten und visualisieren.

Histogramm und Normalverteilung

Trägst Du viele Messwerte in Klassen gleicher Breite als Balken auf, erhältst Du ein Histogramm. Bei einem beherrschten Prozess hat es fast immer die Glockenform der Normalverteilung (Gauß-Verteilung). Sie ist durch zwei Werte festgelegt: den Mittelwert \mu und die Standardabweichung \sigma des Prozesses, die Du aus vielen Stichproben schätzt. Für jede Normalverteilung gilt:

• 68{,}27\ \% aller Werte liegen im Bereich \mu \pm 1\sigma,
• 95{,}45\ \% im Bereich \mu \pm 2\sigma,
• 99{,}73\ \% im Bereich \mu \pm 3\sigma; nur etwa 3 von 1000 Werten liegen außerhalb.

Das Histogramm zeigt die Ausgangsspannung von 125 Netzteilen zusammen mit dem Toleranzfeld:

Mit \mu = 15{,}03\ \mathrm{V} und \sigma = 0{,}045\ \mathrm{V} liegen 99{,}73\ \% der Spannungen zwischen 14{,}895\ \mathrm{V} und 15{,}165\ \mathrm{V}, also im Toleranzfeld. Auffällig ist aber, dass der Mittelwert um 0{,}03\ \mathrm{V} über dem Nennwert liegt: Zum OGW bleiben nur 0{,}17\ \mathrm{V} \approx 3{,}8\sigma Abstand, zum UGW 0{,}23\ \mathrm{V} \approx 5{,}1\sigma. Rechnerisch überschreiten etwa 79 von einer Million Netzteilen (79\ \mathrm{ppm}) den OGW.

Qualitätsregelkarte führen

Mit der Qualitätsregelkarte (Shewhart-Karte) überwachst Du den Prozess während der Fertigung. In festen Abständen (z. B. stündlich) wird eine kleine Stichprobe, meist n = 5 Teile, gemessen. Mittelwert und Spannweite trägst Du in zwei übereinanderliegende Karten ein:

• Die Mittelwertkarte (\bar{x}-Karte) zeigt, ob sich die Lage des Prozesses verschiebt.
• Die Spannweitenkarte (R-Karte) zeigt, ob die Streuung zunimmt.

Die Grenzen der Karte berechnest Du aus einem Vorlauf mit mindestens 20 Stichproben, in dem der Prozess ungestört lief, nicht aus der Toleranz. Die Mittellinie M ist der Mittelwert aller Stichprobenmittelwerte. Die Mittelwerte von Stichproben streuen weniger als Einzelwerte, nämlich mit \sigma_{\bar{x}} = \sigma / \sqrt{n}. Für die Mittelwertkarte gilt:

\text{Eingriffsgrenzen: } \mathrm{OEG}, \mathrm{UEG} = M \pm 3 \cdot \frac{\sigma}{\sqrt{n}} \qquad \text{Warngrenzen: } \mathrm{OWG}, \mathrm{UWG} = M \pm 2 \cdot \frac{\sigma}{\sqrt{n}}

Innerhalb der Eingriffsgrenzen liegen also 99{,}73\ \%, innerhalb der Warngrenzen 95{,}45\ \% der Stichprobenmittelwerte, solange sich der Prozess nicht verändert. Für das Netzteil (M = 15{,}03\ \mathrm{V}, \sigma = 0{,}045\ \mathrm{V}, n = 5) ergeben sich \sigma_{\bar{x}} \approx 0{,}020\ \mathrm{V}, \mathrm{OEG} = 15{,}090\ \mathrm{V}, \mathrm{UEG} = 14{,}970\ \mathrm{V}, \mathrm{OWG} = 15{,}070\ \mathrm{V} und \mathrm{UWG} = 14{,}990\ \mathrm{V}. Die Spannweitenkarte hat als Mittellinie die mittlere Spannweite \bar{R} und eine obere Eingriffsgrenze \mathrm{OEG}_R = D_4 \cdot \bar{R}; für n = 5 ist D_4 = 2{,}114, mit \bar{R} = 0{,}105\ \mathrm{V} also \mathrm{OEG}_R \approx 0{,}222\ \mathrm{V}. Ist \sigma nicht bekannt, schätzt Du es aus der mittleren Spannweite, \sigma \approx \bar{R}/d_2 mit d_2 = 2{,}326 für n = 5; Tabellen der Faktoren stehen in Normen und Tabellenbüchern (DIN ISO 7870-2).

Trend und Lauf erkennen, Eingriff entscheiden

Eine Regelkarte zeigt nicht nur Ausreißer, sondern auch Muster, die auf eine systematische Ursache hinweisen. Welche Regeln gelten, legt der Betrieb in der Prüfanweisung fest; üblich sind:

In der Karte des Netzteils liegen ab Stichprobe 12 sieben Mittelwerte hintereinander unter der Mittellinie: ein Lauf. Die Spannweitenkarte ist unauffällig, die Streuung also gleich geblieben, nur die Lage hat sich verschoben. Das passt zu einer neuen Charge der Widerstände im Spannungsteiler, die ab Stichprobe 12 verarbeitet wurde. Nach Stichprobe 18 wird eingegriffen; Stichprobe 19 unter der Warngrenze bestätigt das. Alle Netzteile liegen dabei noch weit im Toleranzfeld: Die Regelkarte schlägt Alarm, lange bevor Ausschuss entsteht. Das ist ihr Vorteil gegenüber einer reinen Gut-schlecht-Prüfung.

Prozessfähigkeit: cp und cpk

Ob ein beherrschter Prozess die Toleranz auch dauerhaft einhält, beschreiben die Prozessfähigkeitskennwerte. Der Kennwert c_p vergleicht nur die Breite des Toleranzfelds mit der Prozessstreuung 6\sigma, der Kennwert c_{pk} berücksichtigt zusätzlich die Lage des Mittelwerts:

c_p = \frac{\mathrm{OGW} - \mathrm{UGW}}{6 \sigma} \qquad c_{pk} = \frac{\min(\mathrm{OGW} - \mu;\ \mu - \mathrm{UGW})}{3 \sigma}

Liegt der Mittelwert genau in der Mitte des Toleranzfelds, ist c_{pk} = c_p; je weiter er sich einer Grenze nähert, desto kleiner wird c_{pk}. Üblich ist die Forderung c_p \geq 1{,}33 und c_{pk} \geq 1{,}33: Dann bleibt zwischen \mu \pm 3\sigma und den Grenzwerten noch mindestens 1\sigma Reserve. Für neue Prozesse oder sicherheitsrelevante Merkmale verlangen viele Kunden 1{,}67. Werden die Kennwerte in einem kurzen Versuch nur an einer Maschine ermittelt, heißen sie Maschinenfähigkeit c_m und c_{mk}.

Für das Netzteil ergeben sich c_p = \dfrac{0{,}40\ \mathrm{V}}{6 \cdot 0{,}045\ \mathrm{V}} \approx 1{,}48 und c_{pk} = \dfrac{15{,}20\ \mathrm{V} - 15{,}03\ \mathrm{V}}{3 \cdot 0{,}045\ \mathrm{V}} \approx 1{,}26. Die Streuung ist klein genug (c_p \geq 1{,}33), aber der Prozess liegt zu nah am OGW (c_{pk} < 1{,}33). Die Maßnahme ist deshalb nicht eine teurere Fertigung, sondern das Zentrieren: Wird der Mittelwert auf 15{,}00\ \mathrm{V} gebracht (z. B. durch einen anderen Wert im Spannungsteiler oder einen genaueren Abgleich), steigt c_{pk} auf den Wert von c_p, also 1{,}48. Ist dagegen schon c_p < 1{,}33 (Fall C), muss die Streuung sinken: genauere Bauteile, ein Abgleich jedes Geräts oder ein stabilerer Fertigungsschritt.

Bauteiltoleranzen und Einstellbereich eines Abgleichelements

Die Streuung eines Geräts setzt sich aus den Toleranzen seiner Bauteile zusammen. Der Spannungsregler des Netzteils stellt U_A = U_\mathrm{ref} \cdot (1 + R_1/R_2) ein; mit U_\mathrm{ref} = 1{,}25\ \mathrm{V} \pm 1\ \%, R_1 = 11{,}0\ \mathrm{k\Omega} und R_2 = 1{,}00\ \mathrm{k\Omega} (beide \pm 1\ \%) ergeben sich nominal genau 15{,}00\ \mathrm{V}. Für die Abweichung gibt es zwei Rechenwege:

• Ungünstigster Fall (worst case): Alle Toleranzen wirken gleichzeitig in dieselbe Richtung. Die relativen Abweichungen addieren sich (gewichtet mit ihrem Einfluss); hier sind das etwa \pm 2{,}8\ \% oder \pm 0{,}43\ \mathrm{V}, mehr als doppelt so viel wie die zulässigen \pm 0{,}20\ \mathrm{V}.

• Statistisch: Unabhängige, normalverteilte Toleranzen treffen selten alle zugleich ungünstig zusammen. Die Abweichungen addieren sich quadratisch, \sqrt{a^2 + b^2 + c^2}; hier etwa \pm 1{,}6\ \% oder \pm 0{,}25\ \mathrm{V}, wenn die Toleranzangaben jeweils \pm 3\sigma entsprechen.

Ohne Abgleich wäre der Prozess also selbst bei statistischer Betrachtung nicht fähig: c_p \approx \dfrac{0{,}40\ \mathrm{V}}{2 \cdot 0{,}25\ \mathrm{V}} \approx 0{,}8. Deshalb bekommt das Netzteil einen Trimmer. Sein Einstellbereich muss so groß sein, dass der Nennwert auch im ungünstigsten Fall aller Bauteiltoleranzen (einschließlich der Toleranz des Trimmers selbst) noch erreichbar ist. Mit R_1 = 10{,}0\ \mathrm{k\Omega} in Reihe mit einem 2\text{-}\mathrm{k\Omega}-Trimmer (\pm 20\ \%) reicht der Bereich im ungünstigsten Fall von etwa 14{,}14\ \mathrm{V} bis 15{,}33\ \mathrm{V}; die 15{,}00\ \mathrm{V} sind also immer einstellbar, und beim Nennwert steht der Schleifer etwa in der Mitte. Wie Du Einstellbereiche Schritt für Schritt berechnest, zeigt der Artikel Abgleich, Justage und Kalibrierung.

Soll-Ist-Vergleich über die Zeit

Nicht nur einzelne Prüfgrößen, auch die Kennzahlen eines Prozesses vergleichst Du regelmäßig mit ihren Planwerten: Ausschuss- und Nacharbeitsquote, c_{pk} je Monat, Taktzeit, Ausfallzeiten der Prüfanlage. Ein einzelner Monat über dem Plan kann Zufall sein. Steigt eine Größe aber über mehrere Zeiträume in Folge (z. B. die Fehlerquote am In-Circuit-Test von 0{,}4\ \% über 0{,}5\ \% und 0{,}7\ \% auf 0{,}9\ \%), ist das ein Trend, der auf Verschleiß (Prüfstifte, Lötspitzen, Bestückdüsen) oder eine schleichende Prozessdrift hinweist. Die Regeln der Regelkarte gelten sinngemäß auch hier: Muster bewerten, Ursache suchen, Maßnahme planen und ihre Wirkung im nächsten Vergleich prüfen (PDCA).

Auswerten mit der Tabellenkalkulation

Für die Auswertung genügt eine Tabellenkalkulation: Je Zeile eine Stichprobe mit den fünf Messwerten in den Spalten B bis F, dahinter die Kennwerte; die Grenzwerte stehen in benannten Zellen (UGW, OGW, M, Sigma). Die Formeln (LibreOffice Calc bzw. Excel in deutscher Sprache):

G2: =MITTELWERT(B2:F2)                     Stichprobenmittelwert
H2: =MAX(B2:F2)-MIN(B2:F2)                 Spannweite R
I2: =STABW.S(B2:F2)                        Standardabweichung s der Stichprobe
J2: =WENN(ODER(G2>M+3*Sigma/WURZEL(5);G2<M-3*Sigma/WURZEL(5));"Eingriff";"")
cp: =(OGW-UGW)/(6*Sigma)
cpk: =MIN(OGW-M;M-UGW)/(3*Sigma)
Anteil über OGW: =1-NORM.VERT(OGW;M;Sigma;WAHR)

Ein Liniendiagramm der Spalte G mit den Grenzlinien als weiteren Datenreihen ergibt die Regelkarte. Bezüge, Funktionen und die bedingte Formatierung erklärt der Artikel Tabellenkalkulation.

Schritt 7: Zuverlässigkeitskenngrößen

Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines Geräts, seine Funktion unter festgelegten Bedingungen über eine bestimmte Zeit zu erfüllen. Hersteller geben sie in Datenblättern mit Kenngrößen an, die im flachen Teil der Badewannenkurve gelten, also für die Zeit mit etwa konstanter Ausfallrate.

MTBF und Ausfallrate

Die MTBF (Mean Time Between Failures) ist die mittlere Betriebszeit zwischen zwei Ausfällen eines reparierbaren Geräts. Aus Betriebs- oder Felddaten wird sie so berechnet:

\text{MTBF} = \frac{\text{Summe der Betriebszeiten aller Geräte}}{\text{Anzahl der Ausfälle}}

Beispiel: 40 Steuergeräte laufen je 6000\ \mathrm{h}, dabei fallen 8 aus. \text{MTBF} = \dfrac{40 \cdot 6000\ \mathrm{h}}{8} = 30\,000\ \mathrm{h}.

Die Ausfallrate \lambda ist der Kehrwert: \lambda = \dfrac{1}{\text{MTBF}} = \dfrac{1}{30\,000\ \mathrm{h}} \approx 3{,}33 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{h^{-1}}. Bauteilhersteller geben sie oft in FIT an (Failures In Time, Ausfälle je 10^9 Bauteilstunden). Für nicht reparierbare Bauteile heißt der Mittelwert der Lebensdauer MTTF (Mean Time To Failure).

Die MTBF ist keine Garantie für die Lebensdauer: Eine MTBF von 30\,000\ \mathrm{h} (gut drei Jahre) heißt nicht, dass jedes Gerät drei Jahre hält, sondern dass bei vielen Geräten im Mittel alle 30\,000 Betriebsstunden ein Ausfall auftritt. Bei konstanter Ausfallrate beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gerät die Zeit t ohne Ausfall übersteht (Überlebenswahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit R):

R(t) = e^{-\lambda t} = e^{-t/\text{MTBF}}

Nach einer Betriebszeit von genau einer MTBF sind also nur noch e^{-1} \approx 37\ \% der Geräte ohne Ausfall. Ein Jahr Dauerbetrieb (8760\ \mathrm{h}) übersteht ein Gerät aus dem Beispiel mit R = e^{-8760/30\,000} \approx 74{,}7\ \%. Außerdem gilt die MTBF nur unter den Bedingungen, für die sie berechnet wurde (meist Temperatur und Last im Datenblatt angegeben): Wärme verkürzt die Lebensdauer vieler Bauteile erheblich.

MTTR und Verfügbarkeit

Die MTTR (Mean Time To Repair) ist die mittlere Dauer vom Ausfall bis zur Wiederinbetriebnahme: Fehler melden, anfahren, Fehler suchen, Teil beschaffen und tauschen, prüfen. Aus MTBF und MTTR ergibt sich die Verfügbarkeit A, der Anteil der Zeit, in der die Anlage betriebsbereit ist:

A = \frac{\text{MTBF}}{\text{MTBF} + \text{MTTR}}

Mit \text{MTTR} = 4\ \mathrm{h} wird A = \dfrac{30\,000\ \mathrm{h}}{30\,004\ \mathrm{h}} \approx 99{,}987\ \%. Die Verfügbarkeit steigt, wenn die MTBF größer (bessere Bauteile, weniger Belastung) oder die MTTR kleiner wird (Ersatzteile vor Ort, gute Dokumentation, Fernüberwachung, steckbare Baugruppen).

Reihen- und Parallelstruktur, Redundanz

Eine Anlage besteht aus vielen Komponenten. Wie ihre Zuverlässigkeiten zusammenwirken, zeigt das Zuverlässigkeitsblockdiagramm:

• Reihenstruktur: Die Anlage funktioniert nur, wenn alle Komponenten funktionieren (Netzteil, Steuerung und Pumpe hintereinander). Die Zuverlässigkeiten werden multipliziert, R_\mathrm{ges} = R_1 \cdot R_2 \cdot R_3; bei konstanten Ausfallraten addieren sich die Ausfallraten, \lambda_\mathrm{ges} = \lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3. Die Reihe ist immer unzuverlässiger als ihr schwächstes Glied.

• Parallelstruktur (Redundanz): Die Anlage funktioniert, solange mindestens eine von mehreren gleichwertigen Komponenten funktioniert. Die Ausfallwahrscheinlichkeiten 1 - R werden multipliziert: R_\mathrm{ges} = 1 - (1 - R_1) \cdot (1 - R_2).

Im Beispiel überstehen Netzteil, Steuerung und Pumpe ein Jahr mit 0{,}95, 0{,}98 und 0{,}90. In Reihe ergibt das R_\mathrm{ges} = 0{,}95 \cdot 0{,}98 \cdot 0{,}90 \approx 0{,}838. Eine zweite, parallele Pumpe hebt den Pumpenteil auf 1 - 0{,}10^2 = 0{,}99 und die Anlage auf 0{,}95 \cdot 0{,}98 \cdot 0{,}99 \approx 0{,}922. Redundanz lohnt sich also vor allem beim schwächsten Glied. Sie wirkt aber nur, wenn ein Ausfall der einen Komponente auch bemerkt wird; sonst läuft die Anlage unbemerkt ohne Reserve weiter.

Komponenten auswählen und Instandhaltung planen

Zuverlässigkeitskenngrößen helfen bei drei Entscheidungen:

• Auswahl von Komponenten: Bei sonst gleichwertigen Netzteilen, Lüftern oder Steuerungen hat die größere MTBF (bei gleichen Bedingungen im Datenblatt) Vorrang. Ein höherer Preis kann sich durch weniger Ausfälle und Einsätze rechnen. Achte darauf, unter welcher Temperatur und Last die Angabe gilt, und vergleiche nur Werte, die nach demselben Verfahren ermittelt wurden.

• Ersatzteilbedarf: Bei n gleichen Komponenten im Dauerbetrieb sind in der Zeit t etwa n \cdot t / \text{MTBF} Ausfälle zu erwarten. Für 120 Lüfter mit \text{MTBF} = 50\,000\ \mathrm{h} sind das in einem Jahr 120 \cdot 8760\ \mathrm{h} / 50\,000\ \mathrm{h} \approx 21 Ausfälle; entsprechend viele Ersatzlüfter (plus Reserve) gehören ins Lager.

• Instandhaltungsintervalle: Teile mit Verschleiß (Lüfter, Elektrolytkondensatoren, Relais, Akkus) werden vorbeugend getauscht, bevor die Ausfallrate am Ende der Badewannenkurve steigt, z. B. nach der vom Hersteller genannten Lebensdauer. Für Komponenten mit konstanter Ausfallrate bringt ein vorbeugender Tausch dagegen nichts; hier helfen Inspektion, Zustandsüberwachung und Redundanz.

Wie geht es weiter?

Du kennst jetzt die Bausteine des Qualitätsmanagements: das QM-System mit Zuständigkeiten, Handbuch und Zertifizierung, den PDCA-Kreis, die Prüfplanung mit Prüfstellen und Prüfarten, die Auswertung von Prüfergebnissen und die Zuverlässigkeitskenngrößen. Übe das Gelernte mit den Übungsaufgaben zum Qualitätsmanagement. Wie Du Fertigungsprozesse mit Regelkarte und Prozessfähigkeit lenkst, steht im Abschnitt Fertigungstoleranzen und statistische Prozesslenkung. Wie Messwerte protokolliert und Toleranzen beurteilt werden, beschreibt der Artikel Abgleich, Justage und Kalibrierung, wie Du Fehler systematisch findest, der Artikel Systematische Fehlersuche und Fehleranalyse.

Leitfragen

1. Welche Ziele verfolgt ein QM-System, und wer ist für Umsetzung und Einhaltung verantwortlich? Antwort

Ziele sind Kundenzufriedenheit, Liefertermintreue, Fehlervermeidung und Nachweisbarkeit. Die Verantwortung für das QM-System trägt die oberste Leitung; mit der Umsetzung beauftragt sie meist eine QM-Beauftragte bzw. einen QM-Beauftragten; für die Qualität der eigenen Arbeit an ihrem Arbeitsplatz sind alle Mitarbeitenden verantwortlich. Siehe Abschnitt „Schritt 1“ und Abschnitt „Wer ist zuständig?“

2. Was besagt die Zehnerregel, und welcher wirtschaftliche Nutzen folgt daraus? Antwort

Die Kosten, einen Fehler zu beseitigen, steigen von Phase zu Phase (Entwicklung, Arbeitsvorbereitung, Fertigung, Endprüfung, Kunde) etwa um den Faktor 10. Die meisten Fehler entstehen früh, werden aber spät entdeckt. Ein QM-System verschiebt das Entdecken nach vorn und senkt so Fehlerkosten; dazu kommen Prozessoptimierung, Mitarbeiterschulung und Marktzugang. Siehe Abschnitt „Die Zehnerregel“

3. Welche Aufgaben haben QM-Handbuch und Zertifizierung, und was ändert sich mit der ISO 9001:2026? Antwort

Das QM-Handbuch beschreibt Qualitätspolitik, Zuständigkeiten und Prozesse und verweist auf Verfahrens- und Arbeitsanweisungen. Bei der Zertifizierung prüft eine akkreditierte Stelle im Audit, ob das System die Norm erfüllt; das Zertifikat gilt drei Jahre mit jährlichen Überwachungsaudits. Die ISO 9001:2026 ergänzt den Klimawandel als Kontextfaktor, Qualitätskultur und ethisches Verhalten und die Harmonisierte Struktur; für Zertifikate nach der Ausgabe 2015 gilt eine Übergangsfrist von drei Jahren. Siehe Abschnitt „Schritt 2“

4. Wie läuft der PDCA-Kreis ab, und wozu dienen Qualitätszirkel? Antwort

Plan: Problem analysieren, Ziel und Maßnahme festlegen; Do: Maßnahme erproben; Check: Wirkung messen und mit dem Ziel vergleichen; Act: Bewährtes als Standard festschreiben oder neuen Durchlauf starten. Im Qualitätszirkel lösen Mitarbeitende eines Bereichs regelmäßig Probleme ihrer Arbeit; Vorschlagswesen und Schulungen ergänzen den KVP. Siehe Abschnitt „Schritt 3“

5. Wie entsteht aus dem Pflichtenheft ein Prüfplan, und was gehört hinein? Antwort

Das Lastenheft (Auftraggeber) sagt, was gefordert ist, das Pflichtenheft (Auftragnehmer), wie es umgesetzt wird. Jede überprüfbare Spezifikation des Pflichtenhefts wird ein Prüfmerkmal. Der Prüfplan enthält je Prüfschritt Prüfmerkmal, Prüfbedingung, Sollwert mit Mindest- und Höchstwert, Prüfmittel und Dauer; daraus folgen Zeitbedarf und Einstellbereiche des Prüfsystems. Siehe Abschnitt „Schritt 4“

6. Wann wählst Du eine 100-%-Prüfung, wann eine Stichprobenprüfung, und warum prüfen externe Stellen sicherheitsrelevante Einrichtungen? Antwort

100-%-Prüfung bei sicherheitsrelevanten Merkmalen, Endprüfung, Kleinserien; Stichprobe bei großen Losen, Massenteilen, zerstörenden Prüfungen und beherrschten Prozessen, mit statistischer Unsicherheit. Externe Stellen sind unabhängig, oft gesetzlich vorgeschrieben, fachkundig und mit kalibrierten Prüfmitteln ausgestattet, und ihr Nachweis schafft Vertrauen und entlastet in der Haftung. Siehe Abschnitt „Schritt 5“

7. Wie wertest Du Prüfergebnisse mit einer Pareto-Analyse aus? Antwort

Fehlerarten nach Häufigkeit absteigend sortieren, Anteile und kumulierten Anteil berechnen und darstellen. Die wenigen Fehlerarten, die den größten Teil der Fehler verursachen, werden zuerst bekämpft; die nächste Auswertung zeigt, ob die Maßnahme wirkt. Siehe Abschnitt „Schritt 6“

8. Was bedeuten MTBF, Ausfallrate, MTTR und Verfügbarkeit, und wie wirkt Redundanz? Antwort

MTBF = Summe der Betriebszeiten / Anzahl der Ausfälle, \lambda = 1/\text{MTBF}, MTTR = mittlere Reparaturdauer, A = \text{MTBF}/(\text{MTBF} + \text{MTTR}). Die MTBF ist keine Lebensdauergarantie; R(t) = e^{-t/\text{MTBF}}. In Reihe werden Zuverlässigkeiten multipliziert, parallel die Ausfallwahrscheinlichkeiten; Redundanz am schwächsten Glied erhöht die Gesamtzuverlässigkeit am stärksten. Erwartete Ausfälle \approx n \cdot t/\text{MTBF} bestimmen den Ersatzteilbedarf. Siehe Abschnitt „Schritt 7“

9. Wie wird eine bestückte Platine automatisiert geprüft, und wie steuert ein Prüfrechner die Messgeräte? Antwort

Ein Prüfadapter (Nadelbett, Prüfstecker oder Testsockel) kontaktiert den Prüfling; Übergangswiderstand, Verschleiß, Adapterleitungen und Mechanik beeinflussen das Ergebnis. Die AOI findet Bestückungs- und Lötfehler optisch, der In-Circuit-Test bzw. die Flying Probe misst Bauteile und Verbindungen einzeln, der Funktionstest prüft die Funktion. Verbindungen unter BGA-Gehäusen prüft der Boundary-Scan nach IEEE 1149.1 über TCK, TMS, TDI und TDO ohne Nadelbett. Messgeräte werden über VISA (in Python PyVISA) mit SCPI-Befehlen wie MEAS:VOLT:DC? gesteuert, pytest vergleicht die Messwerte mit den Grenzwerten und protokolliert das Ergebnis. Siehe Abschnitt „Automatisierte Prüfung in der Baugruppenfertigung“

10. Wie überwachst Du einen Fertigungsprozess mit einer Qualitätsregelkarte, und was sagen cp und cpk aus? Antwort

In festen Abständen wird eine Stichprobe (meist 5 Teile) gemessen; Mittelwert und Spannweite kommen in die Mittelwert- und die Spannweitenkarte. Die Grenzen stammen aus einem ungestörten Vorlauf: Eingriffsgrenzen M \pm 3\sigma/\sqrt{n}, Warngrenzen M \pm 2\sigma/\sqrt{n}. Ein Punkt außerhalb der Eingriffsgrenzen, ein Lauf (7 Punkte auf einer Seite) oder ein Trend (7 Punkte steigend oder fallend) zeigt eine systematische Ursache; dann wird eingegriffen, bei rein zufälliger Streuung nicht. c_p = T/(6\sigma) vergleicht Toleranzfeld und Streuung, c_{pk} = \min(\mathrm{OGW} - \mu;\ \mu - \mathrm{UGW})/(3\sigma) berücksichtigt die Lage; üblich ist die Forderung \geq 1{,}33. Siehe Abschnitt „Fertigungstoleranzen und statistische Prozesslenkung“

Links und weitere Informationen

• zur Norm: ISO: ISO 9001 Quality management

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Qualitätsmanagement

• zum PDCA-Zyklus: Wikipedia: Demingkreis

• zur Zehnerregel: Wikipedia: Zehnerregel

• zur Pareto-Analyse: Wikipedia: Paretodiagramm

• zur MTBF: Wikipedia: Mean Time Between Failures

• zum Boundary-Scan: Wikipedia: Joint Test Action Group

• zu SCPI: Wikipedia: Standard Commands for Programmable Instruments

• zur Messgerätesteuerung mit Python: PyVISA-Dokumentation

• zur Qualitätsregelkarte: Wikipedia: Qualitätsregelkarte

• zur Prozessfähigkeit: Wikipedia: Prozessfähigkeit

• zur Normalverteilung: Wikipedia: Normalverteilung

Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Qualitätsmanagement in der Elektrotechnik: QM-System, Prüfplanung und Zuverlässigkeit” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/qualitaetsmanagement veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/qualitaet. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 13.11.2026.

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