DE10038768A1 - Verfahren zum Herstellen von elektrischen Leiterbahnen auf Glasscheiben und transparentes Substrat mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von elektrischen Leiterbahnen auf Glasscheiben, bei dem die Leiterbahnen durch Siebdrucken eines vorgegebenen Musters einer elektrisch leitfähigen Einbrennpaste auf eine Oberfläche einer Glasscheibe aufgetragen und anschließend eingebrannt werden, wird erfindungsgemäß eine thixotropische Einbrennpaste mit einem Silberanteil von mehr als 82% und einer maximalen Korngröße der enthaltenen Partikel von 20 mum und ein Sieb mit einer Maschenweite von höchstens 90 T verwendet, wobei eine kleinste Breite der einzelnen Leiterbahnen von weniger als 0,3 mm aufgedruckt wird. Es wird auch ein transparentes Substrat, insbesondere eine vorgespannte heizbare Glasscheibe mit besonders schmalen aufgedruckten und eingebrannten Leiterbahnen beschrieben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Leiterbah­ nen auf Glasscheiben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und auf ein transparentes, mit insbesondere nach diesem Verfahren hergestellten Leiter­ bahnen versehenes Substrat.

Seit Jahren sind auf Glasscheiben aufgebrachte Leiterbahnen bekannt, die sowohl als Heizleiter als auch als Antennenleiter dienen können. Sie können ferner als Ruhestrom­ leiter für Alarmauslösung ("Alarmschleife") bei Zerstörung der Glasscheibe eingesetzt werden. Zumeist werden sie mit dem Siebdruckverfahren hergestellt. Als Material verwen­ det man im allgemeinen Pasten mit einem hohen Anteil an metallischem Silber (60 bis 99 %, bezogen auf die Feststoffe), wie sie z. B. aus EP-A1-0 712 814 bekannt sind. Auch aus EP-A1-0 079 854 ist eine für den Siebdruck von Leiterbahnen auf Glas geeignete Überzugsmasse bekannt, die einen Silberanteil von 45 bis 90 Gewichtsprozenten metal­ lisches Silber enthalten kann. Dort wird auch eine sehr geringe Größe der Silberpartikel von 1,0 µm und weniger beschrieben.

Es ist auch bekannt (DE-A-17 96 310), Leiterbahnen an Stelle des Siebdruckens durch direktes Extrudieren von dünnen Fäden einer leitfähigen Einbrennpaste auf die Ober­ fläche einer Glasscheibe aufzubringen.

Die Leiterbahnen sind nach dem Einbrennen - das in der Regel mit dem Aufheizen der Glasscheiben vor dem Biegen und/oder Vorspannen einhergeht - mechanisch hinreichend widerstandsfähig, so dass man sie auf einer freiliegenden Glasoberfläche, z. B. von Ein­ scheiben-Sicherheitsglas, anordnen kann. Vom zusätzlichen Galvanisieren der Leiter­ bahnen ist man aus Gründen der Umweltbelastung immer mehr abgegangen. Verbreitet werden solche Glasscheiben als beheizbare Heckscheiben in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die vorgenannten Druckschriften machen keine Angaben über die Breite der so erzeugten Leiterbahnen. In der Praxis sind mit herkömmlichen Mitteln durch Siebdrucken industriell produzierbare Leiterbahnen auf Glas zwischen 0,4 und 1,2 mm breit, wobei ihre Erhebung über dem Glas von den Querschnitten abhängt, welche bei einem gegebenen ohmschen Widerstand pro Quadrateinheit zum Durchleiten der Heizströme und zum Erzeugen der elektrischen Nenn-Heizleistung benötigt werden. Wenn sich diese Leiterbahnen über das Sichtfeld einer Fensterscheibe erstrecken, werden sie optisch von außen und von innen deutlich wahrgenommen.

Man kennt auch schon Siebdruckschablonen mit über ihre Fläche unterschiedlicher Struk­ tur (DE-A1-32 31 382, DE-A1-35 06 891). Beim Herstellen der sogenannten Stromsam­ melschienen von elektrisch heizbaren Fahrzeugscheiben werden mit diesen Schablonen dickere und breitere Pastenaufträge in einem einzigen Arbeitsgang (ohne mehrfaches Drucken) möglich. Man verhindert damit bei dem dort insgesamt fließenden höheren Strom eine unzulässige Aufheizung. Die Fahrzeughersteller fordern maximale Tempera­ turen von weniger als 50°C in diesen Sammelschienen-Bereichen - bei normalen Um­ gebungstemperaturen -, bei einer elektrischen Heizleistung zwischen 200 und 300 Watt.

Es sind demgegenüber auch Antennen- und heizbare Glasscheiben bekannt, bei denen die Leiterbahnen durch wenige Mikrometer dünne Wolfram-Drähte gebildet werden. Zwar müssen diese in einem Trägermedium, z. B. in einer Klebefolie einer Verbundglasscheibe, eingebettet werden, weil es nicht möglich ist, die einzelnen Drähte auf einer Glasober­ fläche hinreichend sicher zu befestigen. Jedoch sind diese Drähte wesentlich dünner und allein dadurch optisch weniger auffällig als die bislang produzierten aufgedruckten Leiter­ bahnen.

Von der Fahrzeugindustrie wird an die Hersteller von beheizbaren Autoglasscheiben die Forderung herangetragen, jedenfalls für den Einsatz in höherwertigen Fahrzeugen optisch weniger auffällige Leiterbahnen auf Glasscheiben aus Einscheiben-Sicherheitsglas zu produzieren.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von den bekannten Sieb­ druck-Verfahren ein Verfahren anzugeben, mit dem bei hinreichender elektrischer Leit­ fähigkeit der Leiterbahnen deren Flächenabmessungen verringert werden können, sowie ein transparentes Substrat zu schaffen, auf dem besonders schmale Leiterbahnen im Siebdruckverfahren aufgetragen sind.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ansprüche 10 und 11 sind auf ein Drucksieb zur Verwendung in diesem Verfahren gerichtet. Die Merkmale des Patentanspruchs 12 geben ein entspre­ chendes Substrat an. Die Merkmale der den unabhängigen Ansprüchen jeweils nachge­ ordneten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gegenstände an.

Demnach wird eine sehr signifikante Verringerung der Breite bzw. der Flächenabmessun­ gen der einzelnen Leiterbahnen erreicht, indem eine in an sich bekannter Weise sehr hoch silberhaltige thixotropische Siebdruckpaste mit guten Fließeigenschaften bei hohem Schergefälle und mit sehr kleinen Partikeln mit einem besonders feinmaschigen Sieb ge­ druckt wird. In Folge des erhöhten Silberanteils der Paste genügen die damit erzielten Querschnitte bei einer Breite der einzelnen Leiterbahn von weniger als 0,25 mm noch immer den Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit insbesondere bei Einsatz der Leiterbahnen als Heizleiter, ohne die Temperatur bei Nennleistung über die zugelassenen Werte ansteigen zu lassen.

Versuchsweise wurden Heizscheiben nach der Erfindung und mit demselben Layout - d. h. dieselbe Anordnung, Anzahl und dieselben Abstände der Leiterbahnen im Heizfeld - wie bei einer Serien-Heizscheibe hergestellt. Man erzielte trotz der signifikant schmaleren Lei­ terbahnen eine mit den üblichen siebgedruckten Leiterbahnen vergleichbare Heizleistung.

Wie weitere Versuche bestätigten, kann man sogar weitgehend darauf verzichten, bei unterschiedlichen Längen der Heizleiter auf der Scheibe - oftmals sind infolge des trapez­ förmigen Scheibenumrisses die oben liegenden Leiterbahnen deutlich kürzer als die zur Unterkante der Scheibe hin gelegenen - unterschiedliche Querschnitte zum Ausgleichen des Gesamtwiderstandes vorzusehen. In Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren und Produkten und den Materialien dazu konnten bei gleicher Breite aller Leiterbah­ nen unabhängig von deren Länge optisch keine Unterschiede in der Gleichmäßigkeit der Heizleistung festgestellt werden. Dies dürfte eine Wirkung des deutlich geringeren elektri­ schen Widerstands in Folge des höheren Silbergehalts sein. Auch wurden mühelos die höchst zulässigen Temperaturwerte an den Sammelschienen eingehalten, sogar um ca. 15% unterschritten, ohne dort besonders dicke Aufträge der hoch leitfähigen Siebdruck­ paste vorsehen zu müssen.

Bei einer Massenproduktion solcher Glasscheiben kann eine deutliche Ersparnis an Sieb­ druckpaste erwartet werden, wobei allerdings der geringere Verbrauch durch einen höhe­ ren Preis wegen des höheren Silbergehalts zumindest teilweise kompensiert wird. Die geringe optische Auffälligkeit solcher Leiterbahnen kann auch deren Einsatz auf anderen Fahrzeugscheiben fördern, z. B. auf feststehenden oder beweglichen Seitenscheiben.

Nach bevorzugter Ausführung der thixotropischen Paste sind darin ausschließlich Partikel von höchstens 20 µm Korngröße, vorzugsweise von < 12 µm Korngröße und noch kleiner enthalten, bei einem Silbergehalt von 88% und mehr. Als für die Zwecke der Erfindung brauchbar stellte sich das Produkt H 669 von DuPont heraus, welches einen Anteil von 89,8% Silber + Glasfritte sowie eine Restmenge von 10,2% organischer Stoffe als Emul­ gatoren enthält. Seitens des Herstellers bestehen jedoch Zweifel an deren Verwendbar­ keit als Siebdruckpaste für schmale Leiterbahnen in den hier in Frage kommenden An­ wendungen.

Mit einer geeigneten Abstimmung der weiteren Parameter für das Siebdruckverfahren, nämlich Sieblayout und -absprung, Rakelprofil und -geschwindigkeit konnte diese Erwar­ tung jedoch widerlegt werden. Das bedeutet, dass künftig möglicherweise auch noch fei­ ner gekörnte thixotrope Pasten mit Korngrößen deutlich unter 10 µm für den hier beschrie­ benen Zweck verwendet werden können, von denen man das bisher nicht angenommen hatte.

Man hat für die Herstellung von Glasscheiben mit Leiterbahnen von weniger als 250 µm Breite eine sogenannte Hibond-Siebdruckseide (Hersteller: Firma Saati S.p.A., Appiano Gentile, Italien) in Leinenbindung mit einer Maschenweite von 95 T verwendet, wobei die Zahl 95 für die Anzahl von Fäden pro cm und der Buchstabe T als Code-Bezeichnung der Fadendicke steht.

Im Vergleich mit konventionellen Geweben ist der Kontaktwinkel von Wassertropfen auf diesen Hibond-Geweben wesentlich kleiner. Dieser Effekt wird durch eine spezielle Be­ handlung oder Beschichtung der Oberflächen der Gewebefäden erzielt, die zum Know- How des Herstellers gehört. Als nützliche Folge löst sich auch die Siebdruckpaste unge­ achtet der wesentlich geringeren freien Querschnitte in der Siebbeschichtung gut aus den Maschen des Drucksiebs aus. Damit wird neben einer zufriedenstellenden Ausbeute insbesondere eine hohe Präzision der aufgedruckten Leiterbahn-Querschnitte erzielt.

Die Siebbeschichtung wurde für Versuchszwecke zwischen 10 und 30 µm dick eingestellt. Als Siebbeschichtung bezeichnet man eine Schicht aus einer Fotoemulsion (Kunststoff- Material), aus der auf der Grundlage des überall gleichmäßig durchlässigen Siebgewebes die eigentliche Druckmaske fototechnisch hergestellt wird. Die eigentliche Herstellung des Druckmusters der Siebdruckmaske wird hier jedoch als bekannt voraus gesetzt. Die Dicke der Beschichtung ist jedenfalls zusammen mit der Dicke der Fäden des Trägergewebes und dem Druck der Rakel auf das Sieb maßgeblich für die Erhebung der aufgedruckten Muster bzw. Leiterbahnen über der Substratoberfläche.

Die üblichen Rakel haben eine rechteckige und spitzkantige Druckkante, mit der die Paste durch das Sieb gedruckt und auf die darunter liegende Oberfläche aufgedruckt wird. Es hat sich gezeigt, dass zum Zweck der Erfindung bevorzugt eine modifizierte Druckkante mit einer gewissen Keilwirkung verwendet wird. Man hat noch keine Erklärung für die Wir­ kung einer Anschrägung oder Abrundung der Druckkante für diese spezielle Konfigura­ tion, es ist aber anzunehmen, dass eine Wechselwirkung mit der Thixotropie - d. h. Visko­ sitätsrückgang bei Erhöhung der wirksamen Schubspannung - der Siebdruckpaste besteht.

Die Rakeldruckgeschwindigkeit wurde gegenüber herkömmlichen Produktionen gering­ fügig herabgesetzt. Das ergibt sich aber grundsätzlich aus der Notwendigkeit, die Paste durch gegenüber bekannten Drucksieben stark verringerte Kanalquerschnitte in der Sieb­ beschichtung zu drucken. Ferner wurde der Siebabsprung - d. h. der Abstand zwischen der frei gespannten Siebdruckschablone und dem zu bedruckenden Substrat, also der Glasscheibe - modifiziert.

Mit diesen Materialien und Abmessungen ist ein spezifischer Widerstand von < 2,5 mΩ pro Quadrateinheit (bzw. von < 2,5 mΩ * cm) nach dem Einbrennen erreichbar.

Auch hinsichtlich der Abriebfestigkeit wurde festgestellt, dass die gemäß dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestellten Leiterbahnen nahezu gleiche Eigenschaften wie die wesentlich breiteren üblichen Leiterbahnen aufweisen. Man erklärt sich das mit einer Ver­ sinterung der in der Druckpaste vergleichsweise dicht gepackten, aneinander stoßenden Silberpartikel beim Einbrennvorgang.

Als Ausführungsbeispiel wird hier ohne zeichnerische Darstellung die Herstellung einer heizbaren Heckscheibe für das aktuelle Modell des VW Golf beschrieben.

Als Siebdruckpaste wurde das Produkt H 669 der Firma DuPont verwendet, dessen Vis­ kosität 17 Pas (Pascal × Sekunde) beträgt. Es enthält nur Körner mit einer Größe von 10 µm und weniger. Zum fototechnischen Herstellen der Siebdruckschablone wurde mit einer Diavorlage entsprechend dem Serienlayout nach Kundenvorgabe gearbeitet, die aller­ dings für den Druck der besonders schmalen Leiterbahnen hinsichtlich der freien Durch­ druck-Querschnitte und des Verhältnisses zwischen freier und bedruckter Oberfläche neu berechnet werden musste. Als Siebgewebe wurde ein 95 T Hibond-Trägergewebe (Fadendicke 40 µm, Maschenweite 65 µm) verwendet, das mit einer Dicke von 16 µm in der üblichen Weise beschichtet wurde.

Die Druckrakel hatte eine Härte von 65 Shore in der Gummilippe und einen Kantenschliff von 45° bei einer Schlifftiefe von 0,2 mm. Beim Bedrucken des ebenen Zuschnitts der Glasscheibe wurden ein Siebabsprung von 10 mm und eine Druckgeschwindigkeit von 0,35 m/s eingestellt. Mit diesen Daten wurde eine gebogene und vorgespannte heizbare Glasscheibe hergestellt, die bei gleichem Layout des Siebdrucks wie die Serienscheibe wesentlich weniger auffällige Leiterbahnen aufweist und trotzdem nach dem Biegen und Vorspannen der Glasscheibe und dem damit einher gehenden Einbrennen der schmalen Leiterbahnen nebst den Stromsammelschienen vergleichbar gute elektrische Leistungen zeigt wie das Serienpendant, ohne die zulässigen Temperaturen zu überschreiten.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen von elektrischen Leiterbahnen auf Glasscheiben, bei dem die Leiterbahnen durch Siebdrucken eines vorgegebenen Musters einer elektrisch leitfähigen Einbrennpaste auf eine Oberfläche einer Glasscheibe aufge­ tragen und anschließend eingebrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine thixotropische Einbrennpaste mit einem Silberanteil von mehr als 82% und einer maximalen Korngröße der enthaltenen Partikel von 20 µm und ein Sieb mit einer Maschenweite von höchstens 90 T verwendet wird, wobei eine kleinste Breite der einzelnen Leiterbahnen von weniger als 0,3 mm aufgedruckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine thixotrope Siebdruckpaste mit einem Silberanteil von 88% und einer maximalen Korngröße der enthaltenen Partikel von 12 µm und weniger verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sieb mit einer Maschenweite von 95 T verwendet und eine kleinste Breite der einzelnen Leiterbahnen von weniger als 0,25 mm aufgedruckt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Sieb mit einer zwischen 10 und 30 µm dicken Beschichtung verwen­ det wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Druckrakel mit einer Härte von 50 bis 80, insbesondere 60 bis 70 Shore in der Gummilippe verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Druckrakel mit einer angeschrägten oder abgerundeten Druckkante verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckrakel mit einem Kantenschliff von 45° bei einer Schlifftiefe von 0,2 mm versehen wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Siebabsprung von 10 mm eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Sieb mit einer Maschenweite von 95 T verwendet wird.

10. Drucksieb zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, mit einem Trägergewebe einer Maschenweite von höch­ stens 90 T, insbesondere 95 T.

11. Drucksieb nach Anspruch 10 mit einer zwischen 10 und 30 µm dicken Be­ schichtung zum fototechnischen Herstellen der Druckmaske.

12. Transparentes Substrat, insbesondere beheizbare Glasscheibe, mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen, welche durch Siebdrucken auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Breite der Leiterbahnen weniger als 0,3 mm, insbesondere weniger als 0,25 mm beträgt bei

• - einem Silberanteil in der Siebdruckpaste von mehr als 82%,
• - einem Flächenwiderstand von <2,5 mΩ pro Quadrateinheit und
• - einer mit serienmäßigen Produkten vergleichbaren Heizleistung.

13. Substrat nach Anspruch 12, dessen aufgedruckte Leiterbahnen sich zwischen 5 und 20 µm über der Oberfläche erheben und aus einer Siebdruckpaste mit einem Silberanteil von mindestens 88% bestehen.

14. Substrat nach Anspruch 12 oder 13, mit zwei Stromsammelschienen, zwi­ schen denen sich die weniger als 0,3 mm breiten Leiterbahnen erstrecken, wobei bei eingeschalteter Versorgungsspannung und Nenn-Heizleistung die Temperatur im Bereich der Stromsammelschienen 50°C bei normaler Umgebungstemperatur nicht übersteigt.

15. Substrat nach Anspruch 14, bei dem die Leiterbahnen unabhängig von ihrer Länge sämtlich gleich breit sind.

16. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 15 in Gestalt einer vorgespannten, insbesondere gebogenen Glasscheibe und auf wenigstens einer von deren Oberflächen eingebrannten Leiterbahnen.