DE69106675T2

DE69106675T2 - Dünnschichtleitende Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Info

Publication number: DE69106675T2
Application number: DE69106675T
Authority: DE
Inventors: Robert Parker; Roger W Phillips
Original assignee: Flex Products Inc
Current assignee: Flex Products Inc
Priority date: 1990-11-21
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-11-22
Also published as: DE69106675D1; CA2052414A1; JPH05217661A; ATE117156T1; EP0487338A1; EP0487338B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Substrat mit einer leitfähigen dünnen Beschichtung mit einer hoch-leitfähigen Sammelschiene und ein Verfahren zur Herstellung einer leitfähigen dünnen Beschichtung mit einer hoch-leitfähigen Sammelschiene.
Heizelemente aus einem flexiblen Substrat mit einer darauf angeordneten leitfähigen dünnen Beschichtung sind bisher zum Beispiel in US-A-4,483,397 und 4, 656,339 offenbart und werden durch Flexwatt, 2380 Cranberry Highway, West Warhams, Massachusetts 03576, oder 611 Naponset Street, Taunton, Massachusetts 02021, vertrieben. Bei diesem Produkt dürfte ein Polymer mit hohem Kohlenstoffgehalt verwendet werden, das zur Herstellung des Widerstandselements auf die Oberfläche einer flexiblen Folie gedruckt wird. Wegen des verwendeten Polymers neigt das Material des Heizelements bei hohen Temperaturen dazu, sich zu zersetzen, wodurch die aus einem solchen Material hergestellten Heizvorrichtungen auf Verwendungen mit niedrigen Temperaturen beschränkt sind. Zur Herstellung von Kontakten werden auf dem Polymer mit hohem Kohlenstoff mechanisch Sammelschienen abgelegt. Bei solchen Anordnungen entstehen sogenannte Hot Spots. Aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien neigt das Produkt dazu, sich in seine verschiedenen Schichten aufzulösen und sich zu zersetzen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines neuen und verbesserten Substrats mit einer leitfähigen dünnen Beschichtung und einer hoch-leitfähigen Sammelschiene sowie eines Verfahrens zum Herstellen dieser Anordnung.
Allgemein ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dünnschicht-Leiteranordnung vorzusehen, die eine hochleitfähige Sammelschiene aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen dieser Anordnung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschichtleiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen eine Vielzahl hoch-leitfähiger Sammelschienen vorgesehen sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen die Sammelschienen auf die dünne Schicht aufgedampft werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen leitfähige Beschichtungen mit sehr hohem Widerstand verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen die dünnen Schichten in einem vorbestimmten Muster gebildet werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen Hochtemperatur-Heizelemente vorgesehen werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen auf den Sammelschienen ohne Schwierigkeit Lot zur Vergrößerung ihres Querschnitts aufgebracht werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, die auf viele verschiedene Arten und Weisen zur Anwendung kommen können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Leiteranordnung und ein Verfahren mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorzusehen, bei denen eine abgestufte Dünnschicht-Ablagerung verwendet wird.
Zusätzliche Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, in der die bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail beschrieben sind. Es zeigt
Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen leitfähigen Dünnschicht-Bauelements,
Fig. 2 eine stark vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Dünnschichtbausteins ähnlich dem Bauelement in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung erfindungsgemäßer Dünnschicht-Bauelemente verwendet wird,
Fig. 4 eine Draufsicht der in der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung verwendeten Maske,
Fig. 5 eine isometrische Querschnittsdarstellung eines doppelseitigen erfindungsgemäßen leitfähigen Dünnschicht-Bauelements,
Fig. 6 eine isometrische teilweise Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen leitfähigen Dünnschicht-Bauelements, bei dem eine gestapelte Geometrie verwendet wird,
Fig. 7 eine isometrische teilweise Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen flexiblen dünnen Schicht, bei dem die dünne Schicht gestreift ist und bei dem die Sammelschienen vor der Dünnschichtbildung hergestellt wurden.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes leitfähiges Dünnschicht-Bauelement 11 dargestellt. Es besteht aus einem Substrat 12, das aus einem dielektrischen, isolierenden oder nicht-leitenden Material ist, das je nach der gewünschten Anwendung entweder undurchsichtig oder durchsichtig sein kann. Außerdem kann es entweder steif oder flexibel sein. In vielen Anwendungsgebieten wird es jedoch für wünschenswert gehalten, wenn das Substrat aus einem flexiblen Material hergestellt ist, wie z.B. aus Kunststoff-Folie aus einem Polyester wie PET, einem Polyimid (z.B. Upilex) oder Polykarbonaten. Kunststoffe für die Verwendung bei hohen Temperaturen sind für den Betrieb bei Temperaturen von bis zu 200ºC allgemein erhältlich. Es können Hochleistungs-Hochtemperatur-Folien von ICI wie z.B. die der Stabar-Serie verwendet werden, nämlich Polyethersulfon (PES) und Polyetherehterketon (PEEK). Upilex und Kapton, von ICI bzw. DuPont erhältliche Polyimide können auch als flexible Hochtemperatur-Substrate dienen. Außerdem können Fiberglas-, Stoff- oder Papierrollen für diese Art der Anwendung verwendet werden.
Bei Anwendungsgebieten, bei denen die Verwendung eines Roll-Beschichters gewünscht wird, sollte das Substrat eine Dicke von 25 - 178u (1 bis 7 mils) haben. Das Substrat 12 hat eine erste und eine zweite Oberfläche 13, 14. Eine dünne Schicht 16 wird auf der Oberfläche 14 gebildet. Die Beschichtung 16 ist typischerweise eine im Vakuum aufgedampfte Beschichtung, wie sie zum Beispiel durch Zerstäuben, Elektronenstrahlbeschuß oder Widerstandserhitzen erzielt wird, und besteht aus einem Material oder aus Materialien, die relativ schlecht leiten. Materialien, die zu diesem Zweck geeignet sind, sind unter anderen die folgenden: nichtrostender Stahl (72), Nichrom (-10), Kohle (1375), Chrom (13), Titan (43), Indium-Zinn-Oxid (-10), Tantal (12,4), Mangan (185), Inconel (122), unlegierter Stahl (10), Eisen (9,7), Zinn (11) und Monel (58). Die Widerstandswerte bei Raumtemperatur sind in Klammern in Mikro-Ohm-Zentimeter angegeben. Indium-Zinnoxid ist ein durchsichtiges Oxid und wird in der Dünnschichttechnik ITO genannt. Es können als Dünnschicht-Heiz-elemente also Materialien mit Widerstandswerten zwischen 10 und 1500 Mikro- Ohm-Zentimeter verwendet werden. Solche Beschichtungen haben typischerweise Dicken von 50 bis 500 Å.
Die leitfähigen Sammelschienen 17 werden auf der dünnen Schicht 16 gebildet und stehen damit in engem elektrischen Kontakt. Wie in den Zeichnungen dargestellt, haben die Sammelschienen 17 normalerweise einen rechteckigen Querschnitt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Sammelschienen durch die Verwendung entsprechender Masken auch angeschrägt sein können. So können die Sammelschienen zum Beispiel am äußeren Rand dicker sein und vom Rand weg immer dünner werden, so daß der Querschnitt im wesentlichen zu einem Dreieck wird. Zum Erzielen eines engen elektrischen Kontakts mit der dünnen Schicht wird in einer Vakuumkammer ein leitfähiges Metall zu einer entsprechenden Dicke, z.B. zwischen 1000 und 10.000 Å und vorzugsweise an den Rändern des Substrats 12 abgeschieden (wie in Fig. 1 und 2 dargestellt). Die Sammelschiene 17 kann aus einem geeigneten leitfähigen Metall wie z.B. Kupfer (1,5), Silber (1,5), Gold (2,0), Aluminium (2,4), Zinn (11,0), Blei-Zinn- Legierung (15), Indium-Zinn-Legierung (10) und Chrom (13) gebildet sein. Die in Klammern angegebenen Zahlen beziehen sich auf den Widerstandswert des Metalls in Mikro-Ohm-Zentimeter bei Raumtemperatur. Also können die Sammelschienen einen Widerstandswert zwischen 1,5 und 15 Mikro-Ohm-Zentimeter haben.
Das Sammelschienenmetall wird in einem Vakuum in geeigneter Weise abgeschieden, wie zum Beispiel unter Verwendung von Widerstandsquellen oder Elektronenkanonen sowie durch Zerstäuben. Die Sammelschienen 17 können während des gleichen Durchlaufs durch einen Roll-Beschichter in einer Vakuumkammer aufgedampft werden. Das kann aber alternativ auch während eines zweiten oder späteren Durchlaufs nach dem Auftrag der dünnen Widerstands-Schicht 16, wie nachfolgend beschrieben, geschehen.
Beispielsweise wurden Kupfer-Sammelschienen durch Zerstäuben direkt auf nichtrostendem Stahl abgeschieden. Die Dicke des nichtrostenden Stahls war in der Größenordnung von 50 - 250 Å. Das Kupfer wurde zu einer Dicke von 1000 - 7000 Å abgeschieden, wobei die Dicke vom Widerstandswert des Films abhing, auf dem es abgeschieden wurde. Bei der Verwendung einiger bestimmter anderer Materialien für die dünne Schicht, wie z.B. ITO und 1-80 (ein transparenter leitfähiger Film, der von Flex Products, Inc. hergestellt wird), hat es sich als wünschenswert herausgestellt, eine Binde- oder Klebe-Zwischenschicht aus nichtrostendem Stahl mit einer Dicke von 50 - 250 Å vor dem Kupfer für die Sammelschienen abzuscheiden.
Die zwischen der abgeschiedenen Sammelschiene 17 und der dünnen Schicht 16 gebildete Verbindung ist so widerstandsfähig, daß sie langsame und schnelle Tape-Tests mit Bändern des Typs 350 oder 610 von 3M übersteht.
Um die dünne Schicht 16 vor dem Zerkratzen zu schützen, ist eine Schutzschicht 21 vorgesehen, die auch in einer Vakuumkammer abgeschieden werden kann. Die Schutzschicht 21 kann aus einem geeigneten dielektrischen Material wie z.B. Siliziumdioxid, SiO&sub2;, bis zu einer geeigneten Dicke von 500 bis 10.000 Å bestehen. Als Alternative kann durch chemische Naßbeschichtungsverfahren eine Hochtemperatur- Polyimidbeschichtung aufgetragen werden.
Zur Herstellung von elektrischem Kontakt zu den Sammelschienen 17, können geeignete Verbindungseinrichtungen verwendet werden, wie z.B. herkömmliche Klemmverbindungen 26, die von AMP hergestellt werden, die zwei Teile 27 und 28 haben, die aufeinander gefaltet werden können und die Fortsätze 31 haben, die durch die leitfähige Sammelschiene 17 reichen können und damit in elektrischen Kontakt treten können und weiter in Löcher 32 im anderen Blatt 28 reichen. Die Blätter 27 und 28 bilden ein Stück mit dem Ausleger 33, auf dem eine Klemme 34 ausgebildet ist, auf der ein Leiterdraht 36 eines isolierten Leiters 37 festgeklemmt werden kann. Ein weiterer isolierter Leiter 41 mit einem Leiterdraht 42 ist an die andere, in Fig. 1 dargestellte Klemmverbindung 26 angeschlossen. Die Leiter 37 und 41 sind so ausgebildet, daß sie an eine geeignete Stromquelle angeschlossen werden können, die durch die Stromquelle 43 dargestellt ist, so daß ein Potential, z.B. 6 bis 240 V, an die beiden Sammelschienen 17 angelegt werden kann.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Roll-Beschichtungsvorrichtung oder eines Rollbeschichters 44, der zur Herstellung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Dünnschicht-Bauelemente verwendet werden kann. Diese Vorrichtung 44 besteht aus einer ersten und einer zweiten Trommel 46 und 47, die als Ab- und Aufroll-Trommeln identifiziert werden können. Auf der Abroll-Trommel 46 ist das zu beschichtende Kunststoffsubstrat 12. Dieses wird von unten an der Trommel 46 über eine Spannrolle 51 und unter eine gekühlte Trommel 52, dann über eine weitere Spannrolle 53, über eine Spannrolle 54, unter eine weitere gekühlte Trommel 56 und dann über eine Spannrolle 57 auf die Aufroll-Trommel 47 geführt.
Die Vorrichtung 44 ist von einer (nicht dargestellten) Vakuumkammer umschlossen, die ein geeignetes Vakuum erzeugen kann, wie z.B. 133,3 x 10&supmin;&sup6; N/m² (10&supmin;&sup6; Torr). Ein Zerstäubungstarget 61 ist unter der gekühlten Trommel 52 und ein weiteres Zerstäubungstarget 62 unter der gekühlten Trommel 56 angebracht. Das erste Target 61 trägt das Material für die wenig leitfähige oder Widerstand bietende dünne Schicht 16. Es kann also ein geeignetes Material wie z.B. nichtrostenden Stahl tragen. Das Target 62 trägt das Material für die Sammelschienen 17, ein geeignetes Material wie z.B. Kupfer. Der nichtrostende Stahl kann direkt auf die Oberfläche des Substrats 12 gesputtert werden, um darauf die dünne Schicht 16 zu bilden. Danach kann das Metall für die Sammelschienen vom Target 62 auf die Oberfläche 13 des Substrats 12, auf der die dünne Schicht schon abgeschieden wurde, gesputtert werden, um auf gegenüberliegenden Kanten des flexiblen Substrats 12 die beiden Sammelschienen 17 zu bilden. Dies kann unter Verwendung der Maske 66 des in Fig. 4 dargestellten Typs geschehen, in der an gegenüberliegenden Kanten rechteckige Öffnungen 67 und 68 fluchtend mit den Stellen ausgebildet sind, an denen die Sammelschienen 17 auf der dünnen Schicht 16 abgeschieden werden sollen.
Wo erwünscht, ist die Verwendung von Elektronenkanonen zur Verdampfung des Materials möglich. Zum Beispiel kann das Kupfer durch Elektronenstrahlverdampfung verdampft werden, so daß es durch die Öffnungen 67 und 68 in der Maske 66 abgeschieden werden kann.
Anstelle der zwei in Fig. 3 vorgesehenen Zerstäubungstargets 61 und 62 kann eine Vielzahl von Zerstäubungstargets, zum Beispiel acht oder mehr getrennte Sputterziele, verwendet werden, um im Rollbeschichter 44 einen größeren Durchsatz zu erzielen.
Außerdem kann eine einzelne gekühlte Trommel anstelle der zwei gekühlten Trommeln verwendet werden. Bei einer solchen Anordnung wird die dünne Schicht 16 abgeschieden, wenn das flexible Substrat 12 von der Abroll-Trommel 46 zur Aufroll- Trommel 47 bewegt wird, und danach werden die Sammelschienen 17 auf die dünne Schicht abgeschieden. Es können für das Sammelschienen-Material und die dünne Schicht getrennte Targets verwendet werden, während die gleiche gekühlte Trommel verwendet wird4 indem die dünne Schicht abgeschieden wird, während das beschichtete Substrat von der Abroll-Trommel 46 auf die Aufroll-Trommel gewickelt wird, und danach das Sammelschienen-Material abgeschieden wird, während das beschichtete Substrat 12 von der Aufroll-Trommel 47 auf die Abroll-Trommel 46 gewickelt wird. Als Alternative können auch zwei getrennte Beschichtungsmaschinen verwendet werden, in denen die dünne Schicht 16 in einer Beschichtungsmaschine abgeschieden werden kann und danach die Sammelschienen 17 in einer anderen.
Die dünne Schicht und den Sammelschienen-Auftrag in getrennten Durchgängen durchzuführen, kann oft günstig sein, da in den meisten Fällen die Sammelschiene eine wesentlich größere Dicke aufweisen wird als die dünne Schicht. So kann beispielsweise die dünne Schicht aus nichtrostendem Stahl (Typ 304) eine Dicke von 30 bis 200 Å aufweisen, um einen Widerstandswert von 50 bis 250 Ohm/ zu erreichen, während die Kupfer-Sammelschiene eine Dicke von 1000 bis 7000 Å aufweisen könnte. Es ist jedoch auch möglich, solche Unterschiede in der Dicke zwischen dem Dünnschicht-Heizelement und den Sammelschienen durch entsprechendes Einstellen der Zerstäubungstargets zu berücksichtigen, z.B. durch Verringern der Energie am Zerstäubungstarget für den nichtrostenden Stahl und durch Erhöhen der Energie am Zerstäubungstarget für das Kupfer.
Die Schutzschicht 21 kann anstatt durch Ablagerung in einer Vakuum-Kammer auch dadurch hergestellt werden, indem eine getrennte Folie aus dielektrischem Material, z.B. Kunststoff, durch Wärmeeinwirkung als Schicht auf das die dünne Schicht tragende Substrat 12 aufgebracht wird, so daß davon die dünne Schicht überdeckt wird. Als Alternative kann ein Klebstoff verwendet werden, um die beiden Folien zu verbinden und so die gleiche Art von Schutz zu erzielen. Außerdem kann die Schutzschicht auch aufgedruckt oder mit einer Klinge aufgetragen werden.
Aufgrund der Konstruktionsweise des leitfähigen Dünnschicht-Bauelements ist dieses sehr dünn. Zum Beispiel kann das Substrat aus 12u (1/2 mil) dünnem Polyester sein, auf dem eine ein paar Ängstrom dicke Beschichtung abgeschieden ist, auf der wiederum eine weitere, 12u (1/2 mil) dicke Polyesterschicht aufgebracht ist, um so ein Folien-Heizelement herzustellen, das nur wenig mehr als 1 mil (25,4 u) dick ist. Wegen seiner geringen Dicke kann das Produkt in vielen Gebieten Anwendung finden, wie z.B. zur Beheizung von Automobilsitzen. Die vorliegende Erfindung kann also unter Verwendung von Substraten in Schutzschichten von wenigen 4 bis ungefähr 0,2 mm Dicke angewendet werden.
Elektrische Verbindungen zur Sammelschiene können durch teilweises Entfernen der die Sammelschiene bedeckenden Schutzschicht 21 und das Anlöten von Kontakten hergestellt werden. Als Alternative können auch, wie oben beschrieben und wie in Fig. 1 dargestellt, Verbinder vom Typ AMP verwendet werden.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der auf einem einzigen Substrat eine Vielzahl von Heizelementen vorgesehen ist. Wie hier dargestellt, besteht das Bauelement 71 aus einem Substrat 72 des oben beschriebenen Typs, wie z.B. aus einem flexiblen Polyester mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche 73 bzw. 74 und darauf abgeschiedenen leitfähigen dünnen Beschichtungen 76 und 77 des oben beschriebenen Typs. Sammelschienen 78 des oben beschriebenen Typs sind auf der dünne Schicht 76 ausgebildet, und auch auf der Rückseite sind Sammelschienen 79 auf der dünnen Beschichtung 77 ausgebildet. Schutzschichten 81 und 82 können über den Sammelschienen 78 und 79 sowie auf den Beschichtungen 76 und 77 in der oben beschriebenen Weise gebildet werden, um die Beschichtungen 76 und 77 zu schützen.
Wenn das Element 71 als Heizelement angewendet wird, kann ein solches Heizelement drei verschiedene Watt-Dichten erzeugen, vorausgesetzt, das Heizelement auf der einen Seite des Substrats 72 hat eine andere Watt-Dichte als das Heizelement auf der anderen Seite des Substrats 72. Wenn die Sammelschienen 79 an eine Stromquelle angeschlossen sind, wird eine bestimmte Watt-Dichte erzeugt. Wenn die Sammelschienen 78 an eine Stromquelle angeschlossen sind, wird eine andere Watt- Dichte erzeugt. Eine dritte Watt-Dichte kann erzeugt werden, wenn beide Sammelschienenpaare 79 und 78 an Stromquellen angeschlossen sind. Das heißt, daß bei einer erwünschten hohen Aufwärmleistung beide Sammelschienenpaare 78 und 79 an Stromquellen angeschlossen werden können.
Außerdem können die Heizelemente der vorliegenden Erfindung auch als eine in Schichten übereinander gestapelte Anordnung 86 ausgebildet sein, wie das in Fig. 6 dargestellt ist, wozu ein flexibles Kunststoffsubstrat 87 des oben beschriebenen Typs mit den Oberflächen 88 und 89 verwendet wird. Eine dünne Schicht 91 des oben beschriebenen Typs ist auf der Oberfläche 89 abgeschieden, gefolgt von den voneinander entfernt angeordneten Sammelschienen 92. Danach wird eine Schutzschicht 93 auf der Beschichtung 91 und den Sammelschienen 92 abgeschieden. Die Schutzschicht 93 ist aus einem Material, das als dielektrisches oder Isolier-Material dient. Dann kann eine optische dünne Schicht 94 auf der Schutzschicht 93 abgeschieden werden, gefolgt von Sammelschienen 96 des oben beschriebenen Typs. Den Sammelschienen 96 folgt eine weitere Schutzschicht 97, auf die wiederum eine optische dünne Schicht 98 des oben beschriebenen Typs abgeschieden wird. Sammelschienen 99 werden auf dieser Schicht gebildet. Die Sammelschienen 99 und die Schicht 98 werden mit einer Schutzschicht 101 des oben beschriebenen Typs bedeckt. Da diese Heizelemente so dünn sind, können sie leicht übereinander schichtweise angeordnet werden, um zusätzliche Leistungskapazitäten zu erzielen. Veränderungen in der Leistung der angeschlossenen Heizelemente können leicht durch Anschließen oder Abschließen eines oder mehrerer Sammelschienenpaare erreicht werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der Anordnung 106 in Fig. 7 dargestellt, bei der ein Substrat 107 des oben beschriebenen Typs die Oberflächen 108 und 109 aufweist. Voneinander entfernte parallele Sammelschienen 110 werden auf die Oberfläche 109 in einer Weise aufgedampft, die der oben beschriebenen ähnlich ist. Eine (nicht dargestellte) lösliche gemusterte Ablöse-Schicht erstreckt sich über die Oberfläche 109 und die Sammelschiene 110. Die Ablöse-Schicht kann aus wasserlöslichem Poly(vinylpyrrolidon) sein. Als Alternative kann sie aus Wachs oder einem Acrylat-Polymer bestehen, das in einem Lösungsmittel löslich ist. Nach dem Bilden der Ablöse-Schicht mit dem erwünschten Muster, z.B. mit Streifen, und dem Entfernen der Schicht über den Sammelschienen 110 wird eine leitfähige dünne Schicht 111 des oben beschriebenen Typs über der Ablöse-Schicht, auf die Sammelschienen 110 und, wo die Ablöseschicht entfernt wurde, auf die Oberfläche 109 abgeschieden. Die leitfähige dünne Schicht ist in engem Kontakt mit den Sammelschienen 110. Nach dem Abscheiden der Beschichtung 111 werden die Teile der Beschichtung 111, die die gemusterte Ablöse-Schicht bedecken, je nach dem als Ablöse-Schicht verwendeten Material, in einer entsprechenden Lösung entfernt, so daß die Streifen 112 der Dünnfilm-Beschichtung 111 entstehen. Wie in Fig. 7 dargestellt, können diese Streifen 112 parallel verlaufen und sich in einer Richtung über die Beschichtung erstrecken, z.B. über die Breite der Beschichtung. Eine Schutzschicht 116 des oben beschriebenen Typs wird dann über der leitfähigen dünnen Beschichtung 111 gebildet.
Durch den Einsatz eines Elements, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, können zusätzliche Vorteile erreicht werden. Durch die Verwendung eines in Streifen gemusterten Heizelements können sehr dünne leitfähige Materialien mit niedrigen Widerstandswerten der für die Sammelschienen vorgegebenen Größenordnung herangezogen werden, nämlich von 1,5 - 15 Mikro-Ohm- Zentimeter. Eine solche Anordnung würde die Verwendung desselben Materials sowohl für das Heizelement als auch für die Sammelschiene ermöglichen. Haftung zwischen dem Heizelement und der Sammelschiene wäre gewährleistet und die Ausdehnungskoeffizienten des Heizelements und der Sammelschiene wären die gleichen, was eine hohe mechanische Stabilität zur Folge hätte. Außerdem würde durch die Streifen 112 ein Kratzer oder Riß in einem der Streifen der leitfähigen dünnen Beschichtung auf diesen Streifen begrenzt und würde sich nicht über das gesamte Dünnfilm-Heizelement fortsetzen.
Wenn für das Substrat Hochtemperatur-Materialien verwendet werden, ist es möglich, die Sammelschienen durch anhaftendes Lot aufzubauen. Wenn z.B. nichtrostender Stahl für die dünne Schicht und Kupfer für die Sammelschienen verwendet wurde, kann das flexible Gewebe durch ein Bad aus flüssigem Lot oder durch eine Wellen-Lötmaschine geführt werden. Das Lot benetzt nicht den nichtrostenden Stahl, es haftet jedoch an den Kupfersammelschienen an, um so die Querschnittsfläche der Sammelschienen erheblich zu vergrößern, wenn das erwunscht ist. Außerdem erleichtert das Lot auf den Kupfersammelschienen das Anlöten von Kabeln an die Sammelschiene.
Bei der Herstellung der leitfähigen dünnen Beschichtungen ist zu beachten, daß diese, falls erwünscht, in der Dicke abgestuft werden können. Das kann durch die Verwendung entsprechender Masken in der Beschichtungsmaschine erreicht werden. Diese Maske kann Öffnungen aufweisen, die das erwünschte Dickenprofil ergeben. So ist es zum Beispiel leicht möglich, in der Mitte eine dünnere Beschichtung als an den Rändern herzustellen, was beim Anlegen von Leistung eine Wärme-Verteilung mit niedrigeren Temperaturen an den Rändern und höheren Temperaturen in der Mitte zur Folge hätte. Eine solche Anordnung kann zum Beispiel bei einem transparenten ITO als Heizelement für Automobil- oder Flugzeug-Windschutzscheiben erwünscht sein, um das Fenster zuerst auf Augenhöhe von Eis zu befreien und dann von da aus nach oben und unten gleichzeitig. Bei einer solchen Konstruktionsweise ist es auch möglich, die zum Enteisen oder Entfrosten der Windschutzscheibe benötige Energie zu verringern, indem der Enteisungs- bzw. Entfrostungsvorgang an der Stelle begonnen wird, an der es zum Durchsehen am nötigsten ist. So benötigt das Enteisen oder Entfrosten nicht nur weniger Energie, sondern es ist auch schneller. Solche abgestufte Beschichtungen können auch bei anderen Anwendungsarten eingesetzt werden, wenn erwünscht ist, manche Stellen mehr als andere zu beheizen.
Bei der Anwendung in Automobil-Windschutzscheiben wird durch die Ablagerung einer leitfähigen dünnen Beschichtung mit veränderlicher Dicke, die in der Mitte, d.h. auf Augenhöhe, dünner ist, zusätzlich zur selektiven, oben beschriebenen Beheizung, möglich, daß der obere Teil der Beschichtung als Sonnenschutzbeschichtung dient.
Ein wirksamer Sommer-Sonnen-Schutzfilm, der aus einer Ganzmetall-Dünnfilm-Beschichtung besteht, ist in den US-Patenten Nr. 4,581,282, 4,453,047 und 4,536,998 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird der obere Teil des dicken ITO mit einer dünnen Metallschicht überzogen, um durch Absorption und Reflexion die Lichtdurchlässigkeit zu verringern. Diese Metallschicht wirkt wie die "Tönung" bei einer "getönten" Scheibe.
Die Heizeigenschaften der erfindungsgemäßen dünnen Beschichtungen können in den unten aufgeführten Gleichungen mit den folgenden Parametern dargestellt werden:
R = Widerstand
= Widerstand in Mikro-Ohm-Zentimeter
&sub1; = Flächenwiderstand in Ohm/
L = Länge in cm, d.h. der Abstand zwischen den Sammelschienen
W = Breite in cm, d.h. eine gemessene Entfernung senkrecht zur Entfernung L
E = Leistung in W
A&sub0; = Stromflußbereich
A&sub1; = beheizter Bereich
E&sub1; = Watt-Dichte in Watt/Fuß²
t = Leiterdicke in cm
V = an die Sammelschienen angelegte Spannung
Die Gleichungen sind die folgenden:
R = L/A&sub0; Gleichung (1)
R = L/Wt Gleichung (2) Gleichung
Per Definition: /t = &sub1; = Flächenwiderstand (Ω/ )
Um beispielsweise ein Heizelement mit 17 Zoll (43 cm) Breite und einer erwünschten Wattdichte von 55 Watt pro Quadratfuß (5,1 W/m²) herzustellen:
= 72 Mikro-Ohm-Zentimeter bei nichtrostendem Stahl (304)
Die Dicke t kann wie folgt berechnet werden:
daraus folgt:
= 65 Å nicht-rostenderStahl
Daraus ergibt sich, daß eine 65 Å dicke dünne Schicht aus nichtrostendem Stahl die vorbestimmte Heizleistung erbringen würde.
Bei einem weiteren Beispiel sei angenommen, es soll ein 17 Zoll (43 cm) breites und 15 Fuß (4,57 in) langes Heizelement hergestellt werden und die Watt-Dichte am entfernten Ende ein Zehntel sein. Angenommen, 1000 Å dickes Kupfer wird für die Sammelschienen verwendet und die Sammelschienen sind 3/4 Zoll (1,9 cm) breit, dann kann die folgende Berechnung angestellt werden:
Kupfer = 1,7 Mikro-Ohm-Zentimeter
Dann wird der spezifische Widerstand des Kupfers berechnet. Aus Gleichung 2 haben wir:
Tatsächlich wird in der Gleichung angenommen, daß der Strom 15 Fuß (4,57 m) die eine Sammelschiene hinunterfließt und dann zusätzliche 15 Fuß (4,57 m) die andere Sammelschiene wieder zurückfließt. Daher L = 30 Fuß (9,14 m).
Daraus folgt: Zol Fuß
Dieses Ergebnis zeigt, daß ein beträchtlicher Energieverlust vorliegt, da der Widerstand des Heizelements bei 100 Ohm liegt. Diese Verluste können überwunden werden, wenn breitere Sammelschienen verwendet werden, zum BeisPiel 1,5 Zoll (3,81 cm) breite Sammelschienen anstelle von solchen, die 3/4 Zoll (1,91 cm) breit sind. Bei sehr langen Bahnen ist es wünschenswert, die Dicke der Sammelschienen zu erhöhen, z.B. durch Ablagern von Lot in der oben beschriebenen Weise.
Wenn durchsichtige Beschichtungen verwendet werden, wie zum Beispiel für Windschutzscheiben, können Materialien wie ITO verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, daß eine entsprechende Energie, die zum Schmelzen von Eis mehr als ausreicht, ohne weiteres bereitgestellt werden kann.
Aus dem Voraufgehenden ist ersichtlich, daß ein besonders neuartiges leitfähiges Dünnfilm-Element und ein entsprechendes Verfahren vorgesehen sind, indem eine dünne Schicht vorgesehen ist, die ein relativ schlechter Leiter ist, und in engem Kontakt mit Sammelschienen steht, die einen geringen relativen Widerstand im Vergleich zu der leitfähigen dünnen Beschichtung aufweisen, die als Heizelement verwendet wird. Das ermöglicht das Anlegen einer im wesentlichen gleichförmigen Spannung an die Beschichtung, wobei die Energie in gleichförmiger Art und Weise über die Beschichtung verteilt wird, wodurch eine Heizoberläche entsteht, die über ihre ganze Oberfläche im wesentlichen gleichförmig Wärme abstrahlt. Durch die Verwendung von flexibler Folie als Substrat ist es möglich, das Heizelement in einem fortlaufenden Prozeß herzustellen, bei dem die dünne Schicht und die Sammelschienen auf ein Gewebe im selben Durchlauf oder in getrennten Durchläufen in einer Vakuum-Beschichtungs-Vorrichtung aufgebracht werden können. Das Gewebematerial kann dann in Stücke entsprechender Länge geschnitten werden, um die erwünschte Heizleistung zu erzielen. Durch die Auswahl des Abstandes zwischen den Sammelschienen und der Dicke der dünnen Schicht ist es möglich, eine große Auswahl an Watt-Dichten-, Abstands- und Spannungsanforderungen abzudekken. Bei manchen Beschichtungen, wie zum Beispiel ITO, kann es wünschenswert sein, wenn die Sammelschienen einen allmählichen Übergang haben, wo sie auf das ITO treffen, um die Steifheit an diesem Übergang zu verringern, und dadurch ein Brechen des ITO zu verhindern, das ein ziemlich brüchiges Material ist.
Der Abstand zwischen den Sammelschienen kann so beschaffen sein, daß sie innerhalb von 16 Zoll (40,6 cm) breiten Mittelbereichen angeordnet sind. Erfindungsgemäße Heizelemente können Sammelschienen innerhalb 16 Zoll (40,6 cm) breiter Mittelbereiche aufweisen und Teile des Substrates, die über die Seiten der Sammelschienen hinausreichen, die nicht beschichtet sind, wie in Fig. 1 dargestellt, und die dann zum Aufnageln oder -kleben des Heizelements an die Befestigungselemente verwendet werden können.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung auch hauptsächlich im Zusammenhang mit Heizelementen erörtert wurde, ist es offensichtlich, daß eine solche Vorrichtung auch anders angewendet werden kann, wie zum Beispiel in Flüssigkristallanzeigen, bei denen ITO-Beschichtungen mit einer Sammelschiene an einer Seite verwendet werden. Auch bei solchen Flüssigkristallanzeigen ist es äußerst wichtig, daß die Sammelschiene mit dem leitfähigen Element in sehr engem Kontakt steht. Bei solchen Anwendungsarten ist nur eine einzige Sammelschiene entlang einer Kante notwendig, da nur das Anlegen einer gleichförmigen Spannung an die Vorrichtung erforderlich ist.

Claims

1. Leitfähiges Dünnfilm-Bauelement (11) mit einem aus einem dielektrischen Material bestehenden Substrat (12), mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, einem im Vakuum aufgedampften auf einer der Oberflächen abgelagerten leitfähigen Dünnfilm-Beschichtung (16) und einer im Vakuum aufgedampften Sammelschiene (17) aus leitfähigem Material, die an der Beschichtung haftet und mit ihr in engem Kontakt steht, wobei die Sammelschiene eine wesentlich größere Dicke aufweist als die Beschichtung.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Sammelschiene (17) über der Beschichtung (16) liegt.

3. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Sammelschiene (17) unter der Beschichtung (16) liegt.

4. Bauelement nach Anspruch 1, mit einer zusätzlichen im Vakuum aufgedampften, auf der Beschichtung aufgebrachten und von der zuerst genannten Sammelschiene entfernten Sammelschiene aus leitfähigem Material und mit einer Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die erste und die zusätzliche Sammelschiene.

5. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus einem Material besteht, das ein verhältnismäßig schlechter Leiter ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, wobei die Sammelschiene aus einem Material ausgebildet ist, das ein verhältnismäßig guter Leiter im Vergleich zu dem für die Beschichtung verwendeten Material ist.

7. Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem flexiblen Material besteht.

8. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke von 50 bis 500 Å aufweist und wobei die Sammelschiene mit einer Dicke von 1000 bis 10.000 Å ausgebildet ist.

9. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dünnfilm-Beschichtung aus einem Material besteht, das der Gruppe aus nichtrostendem Stahl, Nickel, Nichrom, Silizium, Kohle, Chrom, Titan, Indium-Zinnoxid (ITO), Tantal, Mangan, Stahl, Zinn und Monel angehört.

10. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Sammelschiene aus einem Material besteht, das der Gruppe aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Zinn, Blei/Zinn-Legierung, Indium/Zinn-Legierung und Chrom angehört.

11. Bauelement nach Anspruch 7, wobei das Material nach der Ablagerung einen Widerstandswert von 500 bis 5000 Mikro-Ohm-cm aufweist.

12. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dünnfilm-Beschichtung aus nichtrostendem Stahl und die Sammelschiene aus Kupfer ausgebildet ist.

13. Bauelement nach Anspruch 1, wobei eine Schutzschicht über der Dünnfilm-Beschichtung und den Sammelschienen liegt, die an diesen anhaftet.

14. Bauelement nach Anspruch 1, wobei eine Dünnfilm-Beschichtung auf der anderen Seite des Substrats vorgesehen ist und im Vakuum aufgedampfte Sammelschienen auf der zweiten Dünnfilm- Beschichtung in engem Kontakt dazu vorgesehen sind, sowie mit einer Einrichtung zum wahlweisen Anlegen von Spannung an die ersten Sammelschienen und die zweiten Sammelschienen zum Erzeugen verschiedener Watt-Dichten.

15. Bauelement nach Anspruch 13 mit einer leitfähigen, auf der Schutzschicht abgelagerten Dünnfilm-Beschichtung und mit im Vakuum aufgedampften, auf dieser zusätzlichen Film-Beschichtung ausgebildeten und in engem Kontakt mit dieser stehenden Sammelschienen aus leitfähigem Material.

16. Bauelement nach Anspruch 15 mit einer Schutzschicht über der zusätzlichen Dünnfilm-Beschichtung und den damit in Kontakt stehenden Sammelschienen.

17. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dünnfilm-Beschichtung mit einem Muster versehen ist.

18. Bauelement nach Anspruch 17, wobei das Muster in Form von quer über die Dünnfilmbeschichtung laufenden Streifen zum Verhindern der Verbreitung von Kratzern in der Dünnfilm-Beschichtung ausgebildet ist.

19. Verfahren zum Ausbilden eines leitfähigen Dünnfilm-Bauelementes (11) auf einem flexiblen gewebeartigen Substrat (12) mit einer Oberfläche, bei dem das gewebeartige Substrat (12) in einer Vakuumkammer angeordnet ist und eine Einrichtung zum Transport des gewebeartigen Materials über Auf- und Abwickelspulen (46, 47) vorgesehen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Aufdampfen des Materials, das als leitfähige Dünnfilm-Beschichtung verwendet wird, auf die Oberfläche des Gewebes, während das Gewebe in eine Richtung weitertransportiert wird, und Aufdampfen eines weiteren Materials für die Sammelschiene, um auf einer Seite des Gewebes die Sammelschiene zu bilden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem zuerst die Dünnfilm- Beschichtung und dann die Sammelschiene abgelagert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem zuerst die Sammelschiene und dann die Filmbeschichtung abgelagert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Sammelschiene auf dem Gewebe abgelagert wird, während sich das Gewebe in der gleichen Richtung wie bei der Ablagerung der Dünnfilm-Beschichtung gewegt.

23. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Sammelschiene auf dem Gewebe abgelagert wird, während sich das Gewebe in der Richtung bewegt, die der Richtung der Ablagerung der Dünnfilm- Beschichtung entgegengesetzt ist.

24. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das für die Dünnfilm- Beschichtung verwendete Material gesputtert wird.

25. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das für die Sammelschiene verwendete Material gesputtert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das für die Sammelschiene verwendete Material elekronenstrahlverdampft wird.

27. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das für die Sammelschiene verwendete Material widerstandserwärmt und verdampft wird.

28. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Dünnfilm-Beschichtung auf ausgewählten Bereichen des Gewebes abgelagert wird.

29. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Dünnfilm-Beschichtung in abgestufter Weise abgelagert wird.

30. Verfahren nach Anspruch 19, zusätzlich mit dem Schritt, bei dem eine Bindeschicht zwischen der Sammelschiene und der Dünnfilm-Beschichtung gebildet wird.

31. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Dünnfilm-Beschichtung durch Elektronenstrahlverdampfung abgelagert wird.