Eerste-keer-slagingspercentage: waarom lukken in één keer zo lastig is
Stel je bakt een ingewikkeld brood volgens een nieuw recept. De eerste keer mislukt het misschien: te droog, ingezakt, verbrand aan de onderkant. Na een paar pogingen en aanpassingen lukt het uiteindelijk wel, maar dan heb je wel drie mislukte broden weggegooid. Het eerste-keer-slagingspercentage zegt iets heel anders: het meet hoe vaak je meteen, zonder herkansing of reparatie, een goed brood uit de oven haalt. In de fabrieken en laboratoria achter toekomsttechnologie is dat percentage vaak het verschil tussen een uitvinding die alleen in een proefopstelling werkt en een product dat je daadwerkelijk kunt kopen.
In het Engels heet dit begrip first pass yield of first-time success rate. Het duikt op in heel uiteenlopende sectoren: bij de productie van computerchips, batterijcellen, raketmotoren en zelfs quantumcomputers. Telkens gaat het om dezelfde vraag: van alle exemplaren die een fabriek in één productieronde maakt, hoeveel voldoen meteen aan de eisen, zonder dat er een extra reparatieronde, hertest of tweede poging nodig is? Hoe hoger dat percentage, hoe voorspelbaarder, goedkoper en schaalbaarder een technologie wordt.
Wat is het precies?
Het eerste-keer-slagingspercentage wordt meestal berekend als een simpele breuk: het aantal producten dat in één keer goed is, gedeeld door het totale aantal geproduceerde exemplaren, maal honderd procent. Belangrijk is het woordje 'in één keer': producten die pas na reparatie of een tweede bewerking goedgekeurd worden, tellen niet mee als eerste-keer-succes, ook al zijn ze uiteindelijk wel bruikbaar.
Dat onderscheid is precies waarom het begrip in de industrie zo belangrijk is. Een fabriek kan een hoge einduitval hebben (bijna alles is uiteindelijk verkoopbaar) maar toch duur en traag zijn, omdat een groot deel van de productie eerst gerepareerd moet worden. Reparatie kost tijd, extra materiaal en extra arbeid. Bij complexe producten zoals computerchips is repareren vaak zelfs helemaal niet mogelijk: een chip met een fout in het binnenste van het siliciumoppervlak gaat gewoon de prullenbak in.
In de chipindustrie wordt het percentage meestal gemeten per wafer, een dunne schijf silicium waarop honderden of duizenden losse chips ('dies') tegelijk worden gefabriceerd. Tijdens tientallen bewerkingsstappen kan van alles misgaan: een stofdeeltje, een piepkleine afwijking in de belichting, een verontreiniging in een chemisch bad. Ingenieurs houden via statistische procesbeheersing continu bij hoeveel dies per wafer meteen goed zijn. Bij de introductie van een nieuwe, kleinere chipgeneratie ligt dat percentage vrijwel altijd eerst laag; naarmate het proces rijpt, stijgt het geleidelijk in wat de industrie de 'yield-ramp' noemt.
Bij batterijcellen en raketonderdelen werkt het principe hetzelfde, alleen zijn de foutbronnen anders: verkeerd uitgelijnde lasnaden, microscheurtjes in materiaal, afwijkingen in laagdiktes. Bij software-achtige processen zoals het testen van raketvluchten wordt het begrip losser gebruikt: hoeveel testvluchten of testmotoren functioneren meteen zoals bedoeld, zonder dat er een storing optreedt die tot verlies van de missie leidt?
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste reden om dit percentage te verhogen is simpel: geld en tijd besparen. Elk exemplaar dat niet in één keer goed is, kost extra grondstoffen, energie en mensuren, of wordt afgeschreven als totaalverlies. Bij geavanceerde chips, waar één wafer al snel enkele duizenden euro's kost, tikt een laag slagingspercentage direct door in de verkoopprijs van de uiteindelijke chip.
Er is ook een dieper liggend doel: economische haalbaarheid. Een technologie kan in een laboratorium perfect werken en toch nooit op grote schaal betaalbaar worden als het slagingspercentage bij massaproductie te laag blijft. Dit is precies de reden waarom veelbelovende technologieën zoals quantumchips, geavanceerde batterijen en nieuwe chipgeneraties soms jarenlang 'bijna klaar' lijken: de kernwerking is bewezen, maar het opschalen naar een betrouwbaar, herhaalbaar productieproces met een hoog eerste-keer-slagingspercentage blijkt de echte hindernis.
Daarnaast speelt duurzaamheid mee. Elk mislukt exemplaar betekent verspild materiaal, verspilde energie en vaak chemisch afval dat weer verwerkt moet worden. Een hoger slagingspercentage is dus niet alleen goedkoper, maar ook milieuvriendelijker.
Voorbeelden uit de praktijk
Chipproductie bij TSMC (2022-2025). De Taiwanese chipfabrikant TSMC, producent van chips voor onder meer Apple en Nvidia, houdt de exacte yield-cijfers van zijn nieuwste procedés zoals 3-nanometer en 2-nanometer angstvallig geheim; het zijn bedrijfsgeheimen. Branche-analisten en vakmedia melden desondanks steevast dat elke nieuwe procesgeneratie bij de introductie met een aanzienlijk lager slagingspercentage start dan het volwassen voorgaande procedé, en dat TSMC maanden tot jaren nodig heeft om dat percentage naar een commercieel aantrekkelijk niveau te tillen.
Intel's 18A-procedé (2024-2025). Intel probeert met zijn 18A-procesknoop, gebruikt voor chips als Panther Lake en Clearwater Forest, terug te veren als toonaangevende chipfabrikant. Vakpers berichtte herhaaldelijk dat de opbrengstpercentages van dit nieuwe procedé achterbleven bij de interne doelstellingen, wat mede verklaart waarom de commerciële introductie vertraging opliep.
Tesla's 4680-batterijcel (2021-2023). Tesla ontwikkelde de 4680-cel als goedkoper en energiedichter alternatief voor eerdere batterijformaten. In de Gigafactory in Texas kampte het bedrijf jarenlang met een lager dan gehoopt eerste-keer-slagingspercentage bij de productie van deze cellen, wat Tesla zelf in investeerdersgesprekken meermaals benoemde als reden waarom de geplande productievolumes trager werden gehaald dan aangekondigd.
SpaceX en de Starship-raket (2019-2024). SpaceX hanteert bewust een aanpak waarbij niet elke testvlucht hoeft te slagen: prototypes worden gebouwd, getest, laten ontploffen of mislukken, en vervolgens snel aangepast. Dat is in feite het tegenovergestelde van optimaliseren voor een hoog eerste-keer-slagingspercentage per testvlucht; het doel is juist om zo snel mogelijk te leren. Tegelijkertijd probeert SpaceX bij de seriematige productie van onderdelen zoals de Raptor-raketmotor wél het slagingspercentage per gebouwde motor te verhogen, omdat dat de kosten per vlucht drukt.
Quantumchips bij IBM en Google (2019-2025). Bij het bouwen van quantumprocessoren is de 'opbrengst' minder een kwestie van complete chips die het wel of niet doen, en meer een kwestie van hoeveel individuele qubits op een chip voldoende kwaliteit hebben om betrouwbaar te functioneren. Zowel IBM als Google publiceren regelmatig voortgang op dit vlak, maar exacte fabricage-slagingspercentages worden zelden als los kengetal openbaar gemaakt; onderzoekers erkennen wel algemeen dat variatie tussen individuele qubits een van de grootste obstakels is voor het opschalen van quantumcomputers.
Hoe ver is de techniek?
Het verhogen van het eerste-keer-slagingspercentage is geen technologie die op één moment 'af' is; het is een voortdurend, geleidelijk proces van optimalisatie dat bij elke nieuwe generatie product weer opnieuw begint. Bij chipproductie geldt als vuistregel dat een gloednieuw procedé bij introductie een aanzienlijk lager percentage haalt dan het procedé dat het vervangt, en dat het typisch één tot twee jaar duurt voordat het niveau van de vorige generatie geëvenaard wordt.
De belangrijkste obstakels verschillen per technologie. Bij chips worden componenten steeds kleiner, waardoor al een verontreiniging van een fractie van een nanometer een chip onbruikbaar kan maken; geavanceerde belichtingsmachines (EUV-lithografie) moeten daardoor met extreme precisie werken. Bij batterijcellen spelen chemische consistentie en mechanische precisie tijdens het rollen en vullen van de cellen een grote rol. Bij quantumchips is de grootste hindernis dat individuele qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer, nog altijd sterk kunnen verschillen in kwaliteit, zelfs als ze naast elkaar op dezelfde chip zijn gemaakt.
Belangrijk om eerlijk te benoemen: exacte, geverifieerde percentages zijn in de meeste van deze sectoren bedrijfsgeheim. Wat naar buiten komt, zijn vaak schattingen van analisten, uitspraken van bedrijven zelf tijdens investeerdersgesprekken, of berichtgeving in de vakpers. Voorzichtigheid bij het interpreteren van specifieke cijfers is dus op zijn plaats.
Wie werken eraan?
In de chipindustrie zijn TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten) de drie bedrijven die op het scherpst van de snede geavanceerde procesknopen ontwikkelen. Zij zijn sterk afhankelijk van toeleveranciers van productieapparatuur, met het Nederlandse ASML als onmisbare speler voor de EUV-lithografiemachines die nodig zijn voor de kleinste chipstructuren. Het Belgische onderzoeksinstituut imec speelt een centrale rol in vroeg onderzoek naar toekomstige chipprocedés, vaak in samenwerking met vrijwel alle grote chipbedrijven tegelijk.
Op het gebied van batterijen werken naast Tesla ook bedrijven als CATL en BYD uit China, Panasonic uit Japan en LG Energy Solution uit Zuid-Korea aan het verbeteren van productieprocessen voor nieuwe celformaten. Bij ruimtevaart is SpaceX de meest zichtbare speler met zijn iteratieve testaanpak, naast gevestigde partijen zoals NASA, Blue Origin en Europese ruimtevaartorganisaties zoals ESA. In quantumcomputing lopen IBM en Google voorop, samen met onderzoeksgroepen aan universiteiten als Delft (QuTech), MIT en Caltech, en met opkomende bedrijven zoals IonQ en Rigetti.