V2X Sicherheits-Leiterplatte: Der Grundstein sicherer Kommunikation für intelligente vernetzte Fahrzeuge
technology11. Oktober 2025 14 Min. Lesezeit
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V2X Sicherheits-Leiterplatte: Der Eckpfeiler sicherer Kommunikation für intelligente vernetzte Fahrzeuge
Mit der rasanten Entwicklung des autonomen Fahrens und intelligenter Transportsysteme ist die Vehicle-to-Everything (V2X)-Technologie zu einem zentralen Treiber für die Verbesserung der Verkehrssicherheit und die Optimierung der Verkehrseffizienz geworden. V2X ermöglicht einen zuverlässigen Informationsaustausch in Echtzeit zwischen Fahrzeugen (V2V), Fahrzeugen und Infrastruktur (V2I), Fahrzeugen und Netzwerken (V2N) sowie Fahrzeugen und Fußgängern (V2P). Die Grundlage all dieser fortschrittlichen Funktionalitäten beruht jedoch auf einer oft übersehenen, aber kritischen Komponente – der V2X Sicherheits-Leiterplatte. Diese Leiterplatte ist nicht nur die physische Plattform für Kommunikationsmodule und Prozessoren, sondern auch die erste Verteidigungslinie zur Gewährleistung der funktionalen Sicherheit, Informationssicherheit und langfristigen Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Bei Highleap PCB Factory (HILPCB) verstehen wir die strengen Anforderungen der Automobilelektronik und sind bestrebt, mit Fertigungskapazitäten, die den Standards ISO 26262 und IATF 16949 entsprechen, grundsolide Schaltungsfundamente für intelligente Fahrzeuge der nächsten Generation zu liefern.
Warum ist die Leiterplatte in V2X-Systemen entscheidend?
Der Kern eines V2X-Systems besteht aus der On-Board Unit (OBU) und der Roadside Unit (RSU), die komplexe HF-Frontends, Basisbandprozessoren, Hardware-Sicherheitsmodule (HSMs) und Kommunikationsschnittstellen integrieren. All diese kritischen Komponenten sind auf PCBs montiert. Daher bestimmt die Leistung der PCB direkt den Erfolg oder Misserfolg des V2X-Systems.
Eine schlecht entworfene oder gefertigte PCB kann zu verschiedenen katastrophalen Ausfällen führen:
- Signalverzerrung und Kommunikationsunterbrechung: Bei hohen Frequenzen (z.B. 5,9 GHz DSRC- oder C-V2X-Bänder) können unpräzise Impedanzkontrolle oder minderwertige Substratmaterialien zu starker Signaldämpfung und -verzerrung führen, was Paketverluste zur Folge hat und Fahrzeuge daran hindert, kritische Sicherheitswarnungen rechtzeitig zu empfangen.
- Berechnungsfehler: Als Träger des Kernprozessors muss die V2X-Prozessor-PCB die Stromversorgungs-Integrität (PI) gewährleisten. Defekte in der PI können bei transienten hohen Lasten zu instabilen Betriebsspannungen führen, was Berechnungsfehler und gefährliche Fahrentscheidungen zur Folge hat.
- Systemüberhitzung und Ausfall: V2X-Module verbrauchen erhebliche Leistung. Ein unzureichendes Wärmemanagement im PCB-Design kann dazu führen, dass Chips überhitzen, die Leistung drosseln oder sogar dauerhaften Schaden nehmen, wodurch das gesamte System in kritischen Momenten funktionsunfähig wird.
- Sicherheitslücken: Physische Sicherheit ist ebenso wichtig. Risiken wie leitfähige anodische Filamentbildung (CAF) oder Delamination und Rissbildung unter extremen Bedingungen können zu Kurzschlüssen führen und physische Eintrittspunkte für Cyberangriffe bieten.
Ob auf DSRC- oder Mobilfunknetzen basierend, C-V2X-Leiterplatten müssen bei Design und Fertigung Zuverlässigkeit und Sicherheit priorisieren, da selbst geringfügige Mängel in Hochgeschwindigkeits-Fahrszenarien unendlich verstärkt werden können.
Anwendung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 im V2X-Sicherheits-Leiterplattendesign
ISO 26262 ist ein weltweit anerkannter Standard für funktionale Sicherheit in elektrischen und elektronischen Systemen von Kraftfahrzeugen, der darauf abzielt, inakzeptable Risiken durch systematische und zufällige Hardwarefehler zu mindern. Für V2X-Systeme umfassen ihre Sicherheitsziele typischerweise die Kollisionsvermeidung und die Verhinderung von Fehlleitungen, mit entsprechenden Automotive Safety Integrity Levels (ASIL) von ASIL B bis ASIL D – insbesondere in Anwendungen wie kooperativen Fahr-Leiterplatten, die die Fahrzeugsteuerung direkt beeinflussen.
Das Leiterplattendesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Erfüllung funktionaler Sicherheitsanforderungen:
- Redundanzdesign: Für kritische Signalpfade auf ASIL-D-Niveaus, wie z. B. Bremsbefehle von Sicherheitsmikrocontrollern, können Leiterplatten physisch isolierte redundante Leitungsführungen erfordern, um sicherzustellen, dass Backup-Pfade sofort übernehmen können, falls der primäre Pfad ausfällt.
- Fehlerisolation: Durch präzise Steuerung von Kriech- und Luftstrecken können Kurzschlüsse zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsschaltkreisen verhindert werden, wodurch Kaskadenfehler durch einen einzelnen Fehler vermieden werden.
- Diagnoseabdeckung: Reservieren Sie Testpunkte für kritische Knoten auf der Leiterplatte und entwerfen Sie Überwachungsschaltungen, um eine Echtzeit-Selbstprüfung zu ermöglichen, wodurch das System Hardwarefehler umgehend erkennen und melden kann. Zum Beispiel kann durch die Überwachung von Versorgungsspannungsschienen, Taktsignalfrequenzen usw. eine effektive Abdeckung von Hardwarefehlern erreicht werden.
- Vermeidung latenter Fehler: Durch strenge Design Rule Checks (DRC) und Fertigungsprozesskontrollen werden Faktoren eliminiert, die zu latenten Fehlern führen können, wie z.B. scharfe Signalleitungswinkel, isoliertes Kupfer, Säurefallen usw.
HILPCB hält sich bei der Fertigung strikt an diese funktionalen sicherheitsorientierten Designprinzipien und stellt sicher, dass jede V2X Security PCB eine vorhersehbare und zuverlässige Sicherheitsleistung liefert.
Übersicht über die Anforderungen an den Automotive Safety Integrity Level (ASIL)
Der ISO 26262-Standard definiert vier ASIL-Stufen basierend auf Risikoschwere, Expositionswahrscheinlichkeit und Steuerbarkeit und liefert klare quantitative Metriken für zufällige Hardwarefehler.
| Metrik |
ASIL A |
ASIL B |
ASIL C |
ASIL D |
| Metrik für Einzelfehler (SPFM) |
- |
≥ 90% |
≥ 97% |
≥ 99% |
| Metrik für latente Fehler (LFM) |
- |
≥ 60% |
≥ 80% |
≥ 90% |
| Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Hardwarefehlers (PMHF) |
< 10-6 /h |
< 10-7 /h |
< 10-7 /h |
< 10-8 /h |
Hochzuverlässige Materialien und Fertigungsprozesse für raue Automobilumgebungen
Die Betriebsumgebung von Automobilen gehört zu den rauesten für alle elektronischen Produkte. Gemäß der Norm ISO 16750 müssen automobilelektronische Geräte extremen Temperaturschwankungen von -40°C bis +125°C, kontinuierlichen mechanischen Vibrationen und Stößen, hoher Luftfeuchtigkeit sowie dem Kontakt mit Ölen und Chemikalien standhalten. Dies stellt extrem hohe Anforderungen an die Materialauswahl und die Fertigungsprozesse von Leiterplatten.
Die Materialauswahl ist der erste Schritt:
- High-Tg-Substrate: Standard-FR-4 hat eine Glasübergangstemperatur (Tg) von etwa 130-140°C, die in Hochtemperaturbereichen wie Motorräumen erweichen und sich verformen kann, was zu Delamination und verminderter Zuverlässigkeit führt. Daher priorisieren wir die Verwendung von High-Tg-Leiterplattenmaterialien (Tg≥170°C), um sicherzustellen, dass die Leiterplatte über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg eine hervorragende mechanische und elektrische Leistung beibehält.
- Materialien mit niedrigem WAK: Nicht übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen Leiterplattensubstraten und elektronischen Bauteilen (z. B. BGA-verpackten Prozessoren) sind eine Hauptursache für Ermüdungsbrüche von Lötstellen während des thermischen Zyklierens. Die Auswahl von Materialien mit niedrigem WAK kann diese Belastung erheblich reduzieren und die Produktlebensdauer verlängern.
- CAF-Beständigkeit: In Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit können sich leitfähige anodische Filamente (CAF) zwischen Glasfasergewebe und Harz bilden, die interne Mikrokurschlüsse verursachen. HILPCB verwendet hochwertige Rohmaterialien, die strengen CAF-Beständigkeitstests unterzogen werden, um dieses Risiko an der Quelle zu eliminieren.
Fortschrittliche Fertigungsprozesse sind die Garantie:
- High-Density Interconnect (HDI): V2X-Module integrieren zahlreiche Funktionen, was Leiterplatten mit extrem hoher Verdrahtungsdichte erfordert. Wir setzen fortschrittliche HDI-Leiterplatten-Technologie ein, die lasergebohrte Mikro-Blind- und vergrabene Vias nutzt, um komplexe Verbindungen auf begrenztem Raum zu realisieren und gleichzeitig die Hochfrequenz-Signalleistung zu verbessern.
- Durchkontaktierungs-Kupfer und Oberflächenveredelungen: Leiterplatten in Automobilqualität erfordern dickeres Durchkontaktierungs-Wandkupfer (typischerweise ≥25μm), um die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen zu erhöhen. Für Oberflächenveredelungen sind Chemisch Nickel/Immersionsgold (ENIG) oder Chemisch Nickel/Chemisch Palladium/Immersionsgold (ENEPIG) die bevorzugten Optionen für BGA- und QFN-Gehäuse aufgrund ihrer hervorragenden Lötbarkeit und Planarität.
- Strenge Sauberkeitskontrolle: Restliche ionische Verunreinigungen während der Produktion können das CAF-Risiko erheblich erhöhen. HILPCB implementiert eine strenge Sauberkeitskontrolle und ionische Kontaminationsprüfung, um die langfristige Zuverlässigkeit von PCBs zu gewährleisten, was besonders kritisch für im Freien eingesetzte Smart Infrastructure PCBs ist.
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Herausforderungen beim Design der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in der V2X-Kommunikation
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist eine "Pflichtprüfung" für Automobilelektronik. V2X-Systeme sind von Natur aus leistungsstarke HF-Emissionsquellen und müssen gleichzeitig zuverlässig in der stark elektromagnetisch störanfälligen Fahrzeugumgebung funktionieren. Schlecht konzipierte EMV-Leiterplatten können zu "Störquellen" oder "Opfern" werden.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:
- Hochfrequenzstörungen (RFI): 5,9-GHz-V2X-Signale sind sehr anfällig für Störungen durch andere drahtlose Bordsysteme (z. B. GPS, 4G/5G, Wi-Fi) und können diese auch stören.
- Leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen: Hochfrequentes Rauschen, das von V2X-Prozessoren und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen erzeugt wird, kann sich über Stromleitungen ausbreiten oder direkt in den Raum abstrahlen und empfindliche Geräte wie Radios beeinträchtigen.
- Immunität: Muss starken elektromagnetischen Impulsen von Zündsystemen, Motoren, Relais usw. standhalten.
EMV-Lösungen auf Leiterplattenebene:
- Optimierter Lagenaufbau: Mehrschichtige Designs mit durchgehenden Masseflächen neben Signal- und Leistungsschichten nutzen den Spiegeleffekt, um niederimpedante Rückwege bereitzustellen und Strahlung effektiv zu unterdrücken.
- Zonierung und Abschirmung: Physische Trennung von HF-, Digital- und Leistungsbereichen im Leiterplattenlayout. Empfindliche HF-Frontend-Schaltungen sind typischerweise in Metallabschirmungen eingeschlossen, die dedizierte Erdungspads auf der Leiterplatte erfordern.
- Leistungsfilterung: Implementierung von π- oder T-Filtern (bestehend aus Kondensatoren und Induktivitäten) an den Stromeingangspunkten, um Rauschen aus der Fahrzeugstromversorgung zu eliminieren.
- Erdungsdesign: Einsatz einheitlicher, niederimpedanter "Stern"- oder "Flächen"-Erdungsstrategien, um Masseschleifen zu vermeiden und Gleichtaktstörungen zu reduzieren.
Eine sorgfältig EMV-optimierte C-V2X-Leiterplatte ist die Grundlage für klare und stabile Kommunikationsverbindungen.
Wichtige Umwelt- und Zuverlässigkeitstests für Leiterplatten in Automobilqualität
Um einen stabilen Betrieb über einen Fahrzeuglebenszyklus von mehr als 20 Jahren zu gewährleisten, müssen Automobil-Leiterplatten eine Reihe strenger Zuverlässigkeitsvalidierungstests bestehen.
| Prüfpunkt |
Referenzstandard |
Typische Prüfbedingungen |
| Temperaturwechseltest (TC) |
JESD22-A104 |
-40°C ↔ +125°C, 1000-2000 Zyklen |
| Temperatur-Feuchte-Vorspannung (THB) |
JESD22-A101 |
85°C, 85% RH, angelegte Vorspannung, 1000 Stunden |
| Hochtemperatur-Lagerlebensdauer (HTSL) |
JESD22-A103 |
150°C, 1000 Stunden |
| Mechanische Vibration |
ISO 16750-3 |
Zufällige/sinusförmige Vibration, mehrachsig, 8-24 Stunden |
| Mechanischer Schock |
ISO 16750-3 |
|
Halbsinuswelle, 50g, 6ms, multidirektional |
V2X-Sicherheits-Leiterplattenfertigung unter dem IATF 16494 Qualitätssystem
Wenn sich ISO 26262 auf die "funktionale Produktsicherheit" konzentriert, betont IATF 16494 die "Prozessqualitätsstabilität". Als globaler Qualitätsmanagement-Systemstandard für die Automobilindustrie verlangt IATF 16494 von Lieferanten, robuste Prozesse zu etablieren, die auf Prävention, kontinuierliche Verbesserung und die Reduzierung von Variationen und Verschwendung ausgerichtet sind.
Als IATF 16494-zertifizierte Fabrik implementiert die Automobil-Produktionslinie von HILPCB ihre Kernwerkzeuge vollständig:
- APQP (Advanced Product Quality Planning - Erweiterte Produktqualitätsplanung): Während der Initiierungsphase neuer Projekte arbeiten wir eng mit Kunden zusammen, um alle kritischen Merkmale zu identifizieren und detaillierte Kontrollpläne zu entwickeln.
- PPAP (Production Part Approval Process - Produktionsprozess- und Produktfreigabeverfahren): Vor der Massenproduktion reichen wir ein vollständiges PPAP-Dokumentationspaket ein, das Konstruktionsunterlagen, FMEA, Maßprüfberichte, Materialzertifizierungen und 18 weitere Punkte umfasst, um den Kunden zu demonstrieren, dass unser Fertigungsprozess stabil und kontrollierbar ist und Produkte konsistent herstellen kann, die alle Spezifikationen erfüllen.
- FMEA (Failure Mode and Effects Analysis - Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse): Wir analysieren jeden potenziellen Fehlermodus in den Design- und Fertigungsprozessen, bewerten dessen Risiko (RPN=S×O×D) und ergreifen präventive Maßnahmen, um hochriskante Elemente auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.
- SPC (Statistische Prozesskontrolle): Für kritische Prozesse wie Bohren, Plattieren und Ätzen verwenden wir Regelkarten zur Echtzeitüberwachung, um sicherzustellen, dass die Prozessparameter unter Kontrolle bleiben.
- MSA (Messsystemanalyse): Wir führen regelmäßig GR&R (Gage Repeatability & Reproducibility)-Analysen an Prüfgeräten und -methoden durch, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messdaten zu gewährleisten.
Dieses strenge Qualitätssystem ist die grundlegende Garantie für die Herstellung hochwertiger Produkte wie Leiterplatten für Flottenmanagement für Nutzfahrzeuganwendungen. Wir liefern nicht nur Rohplatinen, sondern bieten auch schlüsselfertige PCBA-Montagedienstleistungen aus einer Hand an, wodurch die IATF 16949 Qualitätskontrolle auf den gesamten elektronischen Fertigungsprozess ausgedehnt wird.
Wichtige Überlegungen zur Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI) und Stromversorgungs-Integrität (PI)
Moderne V2X-Prozessor-Leiterplatten tragen Hochgeschwindigkeits-Serialschnittstellen wie Gigabit Ethernet, PCIe und MIPI, mit Signalraten von mehreren Gbit/s. Bei solchen Geschwindigkeiten sind Leiterbahnspuren keine einfachen "Drähte" mehr, sondern erfordern ein präzises Design als "Übertragungsleitungen".
Highlights des Signalintegritäts (SI)-Designs:
- Impedanzkontrolle: Hochgeschwindigkeitssignale sind extrem empfindlich gegenüber der Impedanz von Übertragungsleitungen. Impedanzfehlanpassungen können Signalreflexionen verursachen, die zu schwerwiegenden Intersymbolinterferenzen führen. HILPCB erreicht eine branchenführende Impedanzkontrolle innerhalb von ±5%.
- Differenzialpaar-Routing: Bei Differenzialsignalen (z. B. Ethernet) routen wir diese mit gleicher Länge, gleichem Abstand und enger Kopplung, um die Gleichtaktunterdrückung zu maximieren.
- Verlustarme Materialien: Die Auswahl von Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterialien mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante (Dk) und geringerem Verlustfaktor (Df) kann den Einfügungsverlust für Hochfrequenzsignale erheblich reduzieren und eine klare Übertragung über längere Distanzen gewährleisten.
Design-Highlights zur Leistungsflussintegrität (PI):
- Niederimpedantes Stromversorgungsnetzwerk (PDN): V2X-Prozessoren und FPGAs erzeugen während des Betriebs enorme transiente Stromanforderungen. Das PDN muss einen extrem niedrigen Impedanzwert aufweisen, um diese Anforderungen ohne signifikante Spannungsabfälle zu erfüllen, was typischerweise durch breite Leistungsebenen, Leistungsinseln und zahlreiche Entkopplungskondensatoren erreicht wird.
- Platzierung von Entkopplungskondensatoren: Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren unterschiedlicher Werte (von nF bis uF) so nah wie möglich an den Stromversorgungs-Pins des Chips, um einen niederimpedanten Pfad zu schaffen, der ein breites Frequenzspektrum abdeckt.
Sowohl SI als auch PI sind grundlegende physikalische Bedingungen, um den stabilen Betrieb von Anwendungen mit hoher Rechenleistung und hohen Kommunikationsraten wie Leiterplatten für kooperatives Fahren zu gewährleisten.
Qualitätskontrollprozess für Automobilelektronik (APQP)
Advanced Product Quality Planning (APQP) ist ein strukturierter Prozess, der sicherstellen soll, dass neue Produkte die Kundenanforderungen hinsichtlich Qualität, Kosten und Lieferziele erfüllen.
| Phase |
Phasenname |
Wichtige Ergebnisse |
| 1 |
Planen und Definieren |
Designziele, Zuverlässigkeitsziele, Liste der anfänglichen besonderen Merkmale |
| 2 |
Produktdesign und -entwicklung |
DFMEA, Design-Verifizierungsplan (DVP), Technische Zeichnungen |
| 3 |
Prozessdesign und -entwicklung |
Prozessablaufdiagramm, PFMEA, Kontrollplan (CP) |
| 4 |
|
|
Produkt- und Prozessvalidierung |
Produktionsprobelauf, MSA-Studie, PPAP-Freigabe |
| 5 |
Feedback, Bewertung und Korrekturmaßnahmen |
Varianzreduzierung, Kundenzufriedenheit, Kontinuierliche Verbesserung |
AEC-Q-Zertifizierung und -Tests für langfristige Zuverlässigkeit
Während die AEC-Q-Serienstandards (wie AEC-Q100/Q200) direkt auf Komponenten und nicht auf Leiterplatten abzielen, sind ihre „Null-Fehler“-Philosophie und strenge Testmethoden zum Goldstandard für die gesamte Lieferkette der Automobilelektronik geworden. Tier-1-Lieferanten entwickeln typischerweise spezifische Zuverlässigkeitstestspezifikationen für Leiterplatten basierend auf AEC-Q-Anforderungen.
Als verantwortungsbewusster Hersteller von Leiterplatten für die Automobilindustrie kann das interne Zuverlässigkeitslabor von HILPCB Tests durchführen oder von Dritten durchführen lassen, um zu überprüfen, ob unsere Produkte die langfristigen Zuverlässigkeitsanforderungen der Automobilindustrie erfüllen. Diese Tests simulieren die extremsten Bedingungen, denen ein Fahrzeug während seines gesamten Lebenszyklus begegnen kann, und stellen sicher, dass unsere Leiterplatten auch nach 10 oder 15 Jahren Betrieb einwandfrei funktionieren. Dieses unermüdliche Streben nach Zuverlässigkeit macht unsere Produkte in Leiterplatten für Flottenmanagement und Leiterplatten für intelligente Infrastruktur weit verbreitet, wo Stabilität entscheidend ist.
HILPCB: Ihr vertrauenswürdiger Partner für V2X-Sicherheits-Leiterplatten
Die Herstellung einer qualifizierten V2X-Sicherheits-Leiterplatte ist ein komplexes technisches Unterfangen, das von Lieferanten nicht nur fortschrittliche Ausrüstung, sondern auch ein tiefes Verständnis der einzigartigen Anforderungen der Automobilindustrie an Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit erfordert.
Bei HILPCB bieten wir:
- Umfassende Zertifizierungen: Zertifiziert nach IATF 16949 und ISO 9001, halten sich unsere Produktionsprozesse streng an die Qualitätsstandards der Automobilindustrie.
- Kompetenter technischer Support: Unser Ingenieurteam ist bestens vertraut mit den Konzepten der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 und dem EMV-Design für die Automobilindustrie und bietet professionelle Beratung während der DFM-Phase (Design for Manufacturability).
- Fortschrittliche Fertigungskapazitäten: Von Hochfrequenzmaterialien über HDI, Dickkupfer bis hin zu eingebetteten passiven Technologien erfüllen wir die Anforderungen komplexer Automobil-Leiterplatten.
- Vollständige Rückverfolgbarkeit: Wir unterhalten ein vollständiges Rückverfolgbarkeitssystem von Rohmaterialchargen bis zu Fertigprodukten, das eine schnelle Problemidentifizierung und Korrekturmaßnahmen ermöglicht – eine grundlegende Anforderung in Automobilzulieferketten.
Qualitätskennzahlen für die Null-Fehler-Fertigung
In der Automobilindustrie wird Qualität nicht in Prozent, sondern in Teilen pro Million (PPM) gemessen. HILPCB ist bestrebt, Null-Fehler-Ziele zu erreichen.
| Qualitätskennzahl |
Definition |
Ziel |
| PPM (Teile pro Million) |
Fehler pro Million (PPM) |
Die Automobilindustrie fordert typischerweise < 10 PPM |
| Cpk (Prozessfähigkeitsindex) |
Eine Kennzahl, die misst, wie gut ein Prozess Spezifikationen erfüllt |
Erfordert im Allgemeinen ≥ 1,67 (Six-Sigma-Niveau) |
| DPMO (Fehler pro Million Gelegenheiten) |
Fehler pro Million Gelegenheiten |
Ziel ist es, 3,4 (Six Sigma) zu erreichen |