Elektronikentwicklung: Fehlentscheidungen sind teuer

Interdependenzen und teure Revisionen

Die erste Frage: Warum sind in der Software die meisten Umsetzungs-Entscheidungen günstig revidierbar und in der Elektronik nicht? In der Software lässt sich eine Änderung einschließen (nicht immer, z.B. beim Datenbankmodell – aber häufiger als bei Hardware). Ein Fix repariert innerhalb eines Moduls, hinter einem definierten Interface, und was außerhalb liegt, bleibt unberührt. Elektronik lässt sich nicht so trennen, jedenfalls nicht vollständig. Ein Schaltregler mit höherer Schaltfrequenz koppelt Störungen in die benachbarte Analogschaltung, so sauber der Schaltplan die beiden auch trennt. Ein Kondensator mit gleichem Kapazitätswert, aber anderem Innenwiderstand, bringt die Spannungsregelung zum Schwingen. Ein Bauteil mit höherer Verlustleistung erwärmt seinen Nachbarn, dessen Kennwerte daraufhin driften. Und ein anderer Mikrocontroller verändert fast alles: Pinout, Peripherie, Firmware, Toolchain.

Interdependenzen lassen sich minimieren, nie vollständig auflösen. Deshalb bleibt eine Korrektur selten nur dort, wo sie gemacht wurde. Ist ein Bauteil gewählt, ein Schaltplan freigegeben, ein Layout geroutet, gibt es selten einen kurzen Rückweg. Schauen wir uns diesen Weg an.

Etappen der Elektronikentwicklung

Elektronikentwicklung ist der Prozess, funktionale Anforderungen in Elektronik umzusetzen und dabei Performance-Anforderungen zu erfüllen und gegeneinander abzuwägen.

Brechen wir diesen Satz auf: Funktionale Anforderungen sind das „was“. Welche Signale kommen rein, welche gehen raus, mit welcher Versorgung, über welche Schnittstelle, mit welcher Steuerung. Performance-Anforderungen sind das „wie gut“. Nicht „funktioniert die Schaltung“, sondern: lässt sie sich wirtschaftlich fertigen, zu welchen Kosten, unter welcher Zulassung, wie gut prüfbar, wie lange am Markt verfügbar. Jede Etappe baut auf der vorherigen auf, sodass ein früher Fehler durch alle Folgenden mitwandert. Agile Methoden funktionieren kaum – ihr Kernprinzip (schnelle, günstige Korrektur) funktioniert hier nicht.

Konzeption

Mit einem Konzept als Grundlage kann entschieden werden, ob ein Projekt zur Umsetzung freigegeben wird. In diesem Artikel wurde beschrieben, wie die Konzeption abläuft. Am Ende stehen vier Dinge: eine strukturierte Anforderungsdokumentation, eine funktionale System-Architektur, der Rahmen für Beschaffung inklusive einer groben Kostenschätzung und einem Entwicklungsangebot für die anschließende Umsetzung.

Vorentwicklung

Ausgangspunkt sind Anforderungen und das Blockschaltbild aus der Konzeptphase. Für jede Anforderung und jeden Funktionsblock gibt es mehrere mögliche Teillösungen: Ein Sensor lässt sich über verschiedene Schnittstellen anbinden, eine Versorgung über verschiedene Wandlertopologien realisieren. Die Vorentwicklung sammelt diese Optionen aus Datenblättern und Errata Sheets und kombiniert sie zu einer Gesamtlösung, die in sich stimmig ist. Teillösungen, die einzeln überzeugen, passen nicht automatisch zusammen: Eine morphologische Analyse zeigt Konflikte und Kompromisse in Funktion und Performance. Wenn etwa der technisch und wirtschaftlich beste Controller in fünf Jahren abgekündigt wird, ist er trotzdem keine Option. Am Ende steht eine Festlegung zu Topologien, Bauteilklassen und den zentralen Komponenten. Damit ist diese Etappe die kürzeste im Prozess und die teuerste, wenn sie falsch ausgeht. Ein Controllerwechsel später kostet nicht ein Bauteil, sondern große Teile von Schaltplan, Layout und Firmware und erfordert in der Regel eine erneute Zulassungsprüfung.

Schaltplanentwicklung

Der Schaltplan wird um die festgelegten Hauptkomponenten herum aufgebaut. Zwischen den funktionalen Blöcken liegen Hilfsschaltungen für Schutz, Filterung und Potentialtrennung. Signal- und Leistungspfade werden getrennt, kritische Signale und Versorgungen identifiziert. Kritische Teile werden modelliert und simuliert: Ein Fehler auf dem Papier kostet Stunden, derselbe Fehler in der Fertigung kostet Wochen. Am Ende stehen Schaltplan und Stückliste, mit konkreten Teilenummern und damit einem Großteil der späteren Kosten.

Layout

Der Schaltplan wird in eine physische Leiterplatte übersetzt: Bauteile werden platziert, Verbindungen geführt, kritische Bereiche simuliert. Übersetzung heißt hier aber nicht Abschrift. Eine Verbindung ist im Schaltplan eine Linie ohne Eigenschaften, während sie auf der Leiterplatte Länge, Impedanz und eine Kopplung zur Nachbarbahn hat. Zwei Layouts desselben Schaltplans können sich deshalb völlig unterschiedlich verhalten: Das eine funktioniert, das andere zeigt Störungen, die im Schaltplan nirgends angelegt waren. Das Layout läuft nicht isoliert. Es wird mit der Konstruktion abgestimmt, damit die Elektronik mechanisch ins Gehäuse passt, und es entscheidet mit über die spätere Prüfbarkeit: Testpunkte und Zugänge für den Fertigungstest müssen hier vorgesehen werden. Wer sie nicht einplant, kann sie später nicht nachrüsten. Am Ende stehen die Fertigungsdaten. Ab ihrer Freigabe kostet (fast) jede Änderung einen kompletten Prototypenzyklus: neue Fertigungsdaten, neue Leiterplatten, neue Bestückung, neuer Test.

Nach der Elektronikentwicklung 

Damit endet die Elektronikentwicklung im engeren Sinn. Was folgt (Prototypenbau, Softwareintegration, Validierung, Markteinführung, Betrieb) gehört formal nicht mehr dazu. Aber genau dort fallen die Fehler auf. Ein falsch gewählter Controller zeigt sich in der Softwareintegration, eine unterschätzte Störeinkopplung erst in der EMV-Prüfung, ein Obsoleszenzrisiko erst nach Jahren im Feld. Diese Verzögerung zwischen Entscheidung und Rückmeldung macht Elektronikentwicklung schwer planbar.

Performance Anforderungen 

Performance-Anforderungen widersprechen sich oft. Was schneller fertig wird, ist oft teurer, was billiger wird, ist schlechter prüfbar und was prüfbar bleibt, braucht Platz, der anderswo fehlt. Es gibt keine Lösung, die alle Anforderungen zugleich optimal erfüllt. Es gibt nur eine Lösung, die bewusst gewichtet. Design for X ist der Sammelbegriff für diese Perspektiven. Eine feste Liste gibt es nicht.

Design for Manufacturability (DFM)

Lässt sich das Design zuverlässig und wirtschaftlich in Serie fertigen? Ein Design, das im Labor funktioniert, in der Serie aber eine hohe Ausschussrate erzeugt, ist wirtschaftlich unbrauchbar und die Ausschussrate entsteht im Layout, nicht in der Fertigung. Ein Beispiel: Via-in-Pad und Backdrill lösen Platzprobleme, die sich bei dicht bestückten Baugruppen anders kaum lösen lassen. Beide Verfahren beherrschen nicht alle Fertiger, beide verlängern die Prozesskette und verteuern die Leiterplatte. Technisch möglich sind beide; ob sich der gewonnene Platz über die geplante Stückzahl auszahlt, ist die eigentliche Frage.

Design to Cost (DTC)

DTC ist eine Gratwanderung. Unbewusste Überdimensionierung ist ein Kostentreiber und unqualifizierte Verbilligung birgt die Gefahr eines Totalausfalls. Es geht also darum, Komponenten- und Fertigungsentscheidungen so zu treffen, dass die Anforderungen mit den geringsten Kosten erfüllt werden. Ein Design pauschal billiger zu machen, ist damit jedoch nicht gemeint. Ein Beispiel auf der Komponentenseite wäre ein ADC oder ein Spannungsregler mit Spezifikationen, die keine der Anforderungen tatsächlich verlangt, oder eine diskret aufgebaute Schaltung, die es integriert günstiger gibt. Umgekehrt kann es auch eine integrierte Lösung sein, für die drei Bauteile gereicht hätten. Auch der Preis elektromechanischer Verbindungselemente wird regelmäßig unterschätzt: Steckverbinder kosten oft mehr als die Halbleiter, die sie verbinden.

Auf der Fertigungsseite: ein Lagenaufbau mit einer Lage mehr als nötig, oder eine beidseitige Bestückung, wo einseitig gereicht hätte. Jeder zusätzliche Bestückungsdurchlauf ist ein zusätzlicher Prozessschritt in der Serie. PCBA-Dienstleister schlagen regelmäßig günstigere Bauteilalternativen aus ihren eigenen Lieferketten vor. Das kann ein legitimer Hebel sein, denn der Dienstleister kauft dort tatsächlich besser ein. Es erfordert aber eine belastbare Qualifikation: Stimmen Toleranzen, Zertifizierungen und Langzeitverfügbarkeit wirklich mit dem spezifizierten Original überein? Wer das überspringt, spart am ersten Einkaufspreis und zahlt langfristig drauf.
Der Hebel liegt in Vorentwicklung und Schaltplan, nicht im Einkauf: Wer erst beim Angebot des Fertigers über Kosten spricht, verhandelt über Entscheidungen, die zwei Etappen vorher gefallen sind.

Design for Obsolescence (DFO)

Jedes Bauteil wird irgendwann abgekündigt. Entscheidend ist, was das Produkt dann kostet, wenn es so weit ist. Ein Gerät mit zehn Jahren Marktlebensdauer braucht hier andere Antworten als eines mit zwei.
Mit diesem Thema kann man auf drei Arten umgehen: Reaktiv, Proaktiv und im Designprozess. Reaktiv bedeutet, abzuwarten, bis der Hersteller die Abkündigung meldet, und dann unter Zeitdruck zu improvisieren, da die Restkaufmenge begrenzt ist. Proaktiv bedeutet, die verbleibende Marktlebenszeit kritischer Bauteile vorab zu schätzen und die Ablösung einzuplanen. Datenbanken wie Z2Data oder SiliconExpert liefern dafür Lifecycle-Prognosen. Im Design bedeutet es, von vornherein Komponenten mit stabiler Langzeitverfügbarkeit auszuwählen. Viele Hersteller bieten dafür eigene Longevity-Programme mit garantierten Verfügbarkeitszeiträumen an.
Ein Redesign wegen eines abgekündigten Bauteils kostet Layout, Prototypen, Tests und je nach Änderung eine erneute Zulassung – für ein Produkt, das danach exakt dasselbe kann wie vorher.

Design for Compliance (DFC)

Compliance läuft von Anfang an mit; sie ist keine Prüfung, die erst am Ende passiert. Welche Normen gelten, entscheidet über Isolationsabstände, Filterkonzepte und Materialauswahl. Das sind Entscheidungen, die im Schaltplan und Layout getroffen werden, nicht im Prüflabor. Wer die Zertifizierungsanforderungen erst kennt, wenn das Produkt fertig ist, hat sie faktisch schon beantwortet, nur unbeabsichtigt.

Wie gut ein Design die geforderten Kennwerte einhält, lässt sich mit sehr unterschiedlichem Aufwand vorhersagen. Dies reicht von Daumenregeln über Simulationen bis hin zu Feldversuchen. Dabei sollte der Aufwand proportional zur Bedeutsamkeit der Stelle wachsen: Nicht jede Leiterbahn braucht eine Impedanzsimulation, aber wenn man die falsche ungeprüft lässt, kostet das einen Prüftermin. Eine belastbare Aussage ergibt sich ohnehin erst durch eine Messung am realen Aufbau.

Precompliance vor der Zertifizierung: Eine Voruntersuchung unter vergleichbaren Bedingungen kostet Zeit, aber sie kostet keinen Prüftermin. Ein Redesign nach gescheiterter Precompliance ist ärgerlich. Ein Redesign nach gescheiterter offizieller Prüfung ist teurer und kostet zusätzlich die Wartezeit auf den nächsten freien Termin.

Funk als Sonderfall: Bei Funkanwendungen gibt es einen Hebel, der Kosten und Risiko deutlich senkt: Statt eine eigene Funkschaltung zu entwickeln und vollständig zertifizieren zu lassen, wird ein bereits zertifiziertes Modul eingebunden. Der Hersteller gibt dafür ein Integrationsverfahren vor, zum Beispiel die Leiterbahnführung, Antennenanbindung, Abstände. Wird es eingehalten, lässt sich die bestehende Zertifizierung meist übernehmen. Wird davon abgewichen, verfällt der Vorteil vollständig, und die Funkprüfung beginnt bei null.

Design for Testability (DFT)

Wie gut lässt sich ein Fehler in der Entwicklung, in der Fertigung, im Feld finden? Testbarkeit heißt, gezielt zu platzieren, statt alles messbar zu machen. Kritische Signale, Versorgungsspannungen und Kommunikationsschnittstellen brauchen Testzugang, nicht jedes Netz auf der Leiterplatte. Wird das erst mitgedacht, wenn das Layout steht, bleibt oft nur Platz für Testpunkte an Stellen, die diagnostisch wenig hergeben. Von Anfang an geplant, reichen wenige, gut gewählte Punkte für eine hohe Fehlerabdeckung.

Der entscheidende Punkt: Die Testverfahren sind nicht die Designentscheidung. Sie existieren unabhängig davon, ob ein Design für sie vorbereitet wurde. DFT ist die Vorleistung, die ins Design investiert werden muss, damit ein Verfahren später überhaupt funktioniert. Und diese Vorleistung ist von Verfahren zu Verfahren völlig unterschiedlich.

Optische Inspektion und Röntgen lassen sich später zuschalten und stellen kaum Anforderungen an das Design. In-Circuit-Test und Boundary Scan hingegen schon: Wer keine Testpunkte gesetzt und keine Scan-Kette geroutet hat, kann beide Optionen nicht nachträglich nachrüsten. Diese Option fällt dann weg. Die eigentliche Frage lautet deshalb nicht „Welches Verfahren?“, sondern „Wie viel Designvorleistung rechtfertigt die geplante Stückzahl?“.

Testbarkeit endet nicht am Fabriktor: Die gleiche Diagnosefähigkeit, die in der Fertigung Fehler erkennt, ist später dafür verantwortlich, wie gut sich ein Gerät warten, reparieren oder wiederaufbereiten lässt. Ein Testpunkt, der beim Fertigungstest hilft, ist Jahre später derselbe Punkt, an dem sich ein Garantiefall nachweisen oder die Frage „Reparieren oder verschrotten?“ beantworten lässt. Eine maschinenlesbare Serialisierung auf der Leiterplatte (etwa in Form eines Data-Matrix-Codes) macht daraus eine über den gesamten Lebenszyklus hinweg nachvollziehbare Historie. Wer Testbarkeit nur für die eigene Fertigungslinie plant, verschenkt diesen zweiten Nutzen.

Fazit

Erschwerend kommt die Verzögerung hinzu. Die Rückmeldung auf eine Entscheidung kommt Monate oder Jahre später. Schwer zu planen macht die Elektronikentwicklung deshalb weniger die technische Komplexität als die Balance widersprüchlicher Anforderungen und der Abstand zwischen Entscheidung und Konsequenz.

Daraus folgt eine Konsequenz für die Planung: Die Zeit, die vor den ersten Prototypen liegt, ist kein Vorlauf, den man verkürzen sollte. Sie ist der Teil des Projekts, in dem die Kosten der nächsten zehn Jahre festgelegt werden. Wer hier Wochen spart, zahlt sie später in ganzen Entwicklungszyklen zurück.

Deshalb ist die Konzeption bei uns eine eigene Phase, die genau diese Planung vorbereitet. Wir klären dort nicht nur die Anforderungen, sondern schätzen den Entwicklungsaufwand, den dieser Beitrag beschrieben hat.