EP3292737B1 - Scheibe mit elektrischem anschlusselement und daran angebrachtem verbindungselement - Google Patents

Scheibe mit elektrischem anschlusselement und daran angebrachtem verbindungselement Download PDF

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EP3292737B1
EP3292737B1 EP16722581.2A EP16722581A EP3292737B1 EP 3292737 B1 EP3292737 B1 EP 3292737B1 EP 16722581 A EP16722581 A EP 16722581A EP 3292737 B1 EP3292737 B1 EP 3292737B1
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EP
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connection element
weight
connecting element
connection
substrate
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Katja Werner
Mitja Rateiczak
Bernhard Reul
Klaus SCHMALBUCH
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Saint Gobain Glass France SAS
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
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Definitions

  • connection element with a solid connection element.
  • the material of the connection element for making contact with the pane can then be selected primarily with regard to a suitable coefficient of thermal expansion.
  • the material of the connecting element for making contact with the connection cable can be selected with regard to other criteria, such as optimal electrical conductivity or good formability.
  • a disk according to the preamble of claim 1 is from JP 2004 189023 A known.
  • JP 2015 069893 A discloses a connection element with a connection cable attached to its underside.
  • WO 2012/152543 A1 discloses a connection cable made of copper, which is welded to a connection element made of chromium-containing steel.
  • connection element is designed in the shape of a bridge.
  • a connection element comprises a bridge area and at least two solder feet.
  • the solder feet have contact surfaces that are in contact with the conductive structure via the solder mass.
  • the bridge area is typically, but not necessarily, planar and oriented essentially parallel to the substrate surface.
  • the bridge area has no direct contact with the substrate, but is arranged above the substrate, so that there is a between the bridge area and the substrate surface Cavity arises.
  • the soldering feet extend, starting from two opposite sides of the bridge area, in the direction of the substrate surface and typically have sections at their end which are arranged flat and essentially parallel to the substrate surface. The surfaces of these sections facing the substrate form the contact areas (or soldering areas) which are in contact with the electrically conductive structure on the substrate via the solder mass.
  • the connecting element is a flexible connection cable.
  • the flexible connection cable is a pliable, electrically conductive cable.
  • the connection cable can also be fitted with a wire end ferrule or a crimp (around the Connection cable crimped metal part), which is connected to the connection element.
  • the connecting element is a solid metal plate.
  • a solid metal plate here means a rigid, possibly easily deformable, but not pliable metal plate. The metal plate remains in the desired shape and position after reshaping.
  • the substrate preferably contains glass, particularly preferably soda-lime glass.
  • the substrate is preferably a glass pane, particularly preferably a window pane, in particular a vehicle pane.
  • the substrate can in principle also contain other types of glass, for example quartz glass or borosilicate glass, or polymers, preferably polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polystyrene, polybutadiene, polynitrile, polyester, polyurethane, polyvinyl chloride, polyacrylate, polyamide, polyethylene terephthalate and / or copolymers or mixtures from that.
  • connection element particularly preferably contains at least 66.5% by weight to 89.5% by weight iron, 10.5% by weight to 20% by weight chromium, and 0% by weight to 1% by weight carbon , 0% by weight to 5% by weight nickel, 0% by weight to 2% by weight manganese, 0% by weight to 2.5% by weight molybdenum, 0% by weight to 2% by weight % Niobium and 0% to 1% by weight titanium.
  • the connection element can also contain admixtures of other elements, including vanadium, aluminum and nitrogen.
  • connection element contains in particular at least 77% by weight to 84% by weight iron, 16% by weight to 18.5% by weight chromium, 0% by weight to 0.1% by weight carbon, 0% by weight % to 1% by weight manganese, 0% to 1% by weight niobium, 0% to 1.5% by weight molybdenum and 0% to 1% by weight Titanium.
  • the connection element can also contain admixtures of other elements, including vanadium, aluminum and nitrogen.
  • the connecting element contains copper, for example electrolytic copper.
  • a connecting element has an advantageously high electrical conductivity.
  • such a connecting element can advantageously be deformed, which may be desirable or necessary for connection to the connecting cable.
  • the connecting element can be provided with an angle, as a result of which the connection direction of the connection cable can be adjusted.
  • the connecting element preferably has an electrical resistance of 0.5 ⁇ Ohm • cm to 20 ⁇ Ohm • cm, particularly preferably from 1.0 ⁇ Ohm • cm to 15 ⁇ Ohm • cm, very particularly preferably from 1.5 ⁇ Ohm • cm to 11 ⁇ Ohm • cm.
  • the connecting element particularly preferably contains 45.0% by weight to 100% by weight copper, 0% by weight to 45% by weight zinc, 0% by weight to 15% by weight tin, 0% by weight % to 30% by weight nickel and 0% to 5% by weight silicon.
  • connection element can be freely selected by a person skilled in the art according to the requirements of the individual case.
  • the connection element has, for example, a length and a width of 1 mm to 50 mm.
  • the length of the connection element is preferably from 10 mm to 30 mm, particularly preferably from 20 mm to 25 mm.
  • the width of the connection element is preferably from 1 mm to 30 mm, particularly preferably from 2 mm to 10 mm.
  • Connection elements with these dimensions can be particularly good handle and are particularly suitable for making electrical contact with conductive structures on panes.
  • the electrically conductive structure according to the invention preferably has a layer thickness of 5 ⁇ m to 40 ⁇ m, particularly preferably 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, very particularly preferably 8 ⁇ m to 15 ⁇ m and in particular 10 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the electrically conductive structure according to the invention preferably contains silver, particularly preferably silver particles and glass frits.
  • the solder composition according to the invention very particularly preferably contains Bi40Sn57Ag3, Sn40Bi57Ag3, Bi59Sn40Ag1, Bi57Sn42Ag1, In97Ag3, Sn95,5Ag3,8Cu0,7, Bi67In33, Bi33In50Sn17, Sn77,2 In20Ag2,8, Sn95Ag4Cu1, Sn99CuAg3, Sn99CuAg3, Sn99Cu0,5,5 , Sn97Ag3 or mixtures thereof.
  • the solder mass contains bismuth. It has been shown that a bismuth-containing solder mass leads to particularly good adhesion of the connection element according to the invention to the pane, it being possible to avoid damage to the pane.
  • the proportion of bismuth in the solder composition is preferably from 0.5% by weight to 97% by weight, particularly preferably from 10% by weight to 67% by weight and very particularly preferably from 33% by weight to 67% % By weight, in particular from 50% by weight to 60% by weight.
  • the solder compound preferably contains tin and silver or tin, silver and copper.
  • the solder mass contains at least 35% by weight to 69% by weight bismuth, 30% by weight to 50% by weight tin, 1% by weight to 10% by weight silver and 0% by weight % to 5% by weight copper. In a very particularly preferred embodiment, the solder mass contains at least 49% by weight to 60% by weight bismuth, 39% by weight to 42% by weight tin, 1% by weight to 4% by weight silver and 0 Wt% to 3 wt% copper.
  • the solder mass contains from 90% by weight to 99.5% by weight tin, preferably from 95% by weight to 99% by weight, particularly preferably from 93% by weight to 98% by weight. -%.
  • the soldering compound preferably contains from 0.5% by weight to 5% by weight silver and from 0% by weight to 5% by weight copper.
  • the layer thickness of the solder compound is preferably less than or equal to 6.0 ⁇ 10 -4 m, particularly preferably less than 3.0 ⁇ 10 -4 m.
  • the solder mass emerges with an exit width of preferably less than 1 mm from the space between the soldering area of the connection element and the electrically conductive structure.
  • the maximum exit width is less than 0.5 mm and in particular approximately 0 mm. This is particularly advantageous with regard to the reduction of mechanical stresses in the pane, the adhesion of the connection element and the saving of solder.
  • the maximum exit width is defined as the distance between the outer edges of the soldering area and the point where the solder mass crosses over, where the solder mass is less than 50 ⁇ m thick. The maximum exit width is measured on the solidified solder mass after the soldering process.
  • a desired maximum exit width is achieved by a suitable choice of solder mass volume and perpendicular distance between the connection element and the electrically conductive structure, which can be determined by simple experiments.
  • the perpendicular distance between the connection element and the electrically conductive structure can be specified by a corresponding process tool, for example a tool with an integrated spacer.
  • the maximum exit width can also be negative, that is to say it can be withdrawn into the space formed by the soldering area of the electrical connection element and the electrically conductive structure.
  • the maximum exit width in the space formed by the soldering area of the electrical connection element and the electrically conductive structure is withdrawn in a concave meniscus.
  • a concave meniscus is created, for example, by increasing the vertical distance between the spacer and the conductive structure during the soldering process while the solder is still liquid.
  • the advantage lies in the reduction of the mechanical stresses in the pane, especially in the critical area that occurs when there is a large amount of solder mass.
  • the soldering surface of the connection element has spacers.
  • the spacers are preferably integral with the Connection element formed, for example by stamping or deep drawing.
  • the spacers preferably have a width of 0.5 ⁇ 10 -4 m to 10 ⁇ 10 -4 m and a height of 0.5 ⁇ 10 -4 m to 5 ⁇ 10 -4 m, particularly preferably 1 ⁇ 10 -4 m to 3 x 10 -4 m.
  • the spacers achieve a homogeneous, evenly thick and evenly melted layer of the solder mass.
  • mechanical stresses between the connection element and washer can be reduced and the adhesion of the connection element can be improved. This is particularly advantageous when using lead-free solder masses, which are less able to compensate for mechanical stresses due to their lower ductility compared to lead-containing solder masses.
  • At least one contact bump can be arranged on the surface of the connection element facing away from the substrate, which is used to make contact between the connection element and the soldering tool during the soldering process.
  • the contact elevation is preferably formed with a convex curvature at least in the area of contact with the soldering tool.
  • the contact elevation preferably has a height of 0.1 mm to 2 mm, particularly preferably 0.2 mm to 1 mm.
  • the length and width of the contact elevation is preferably between 0.1 and 5 mm, very particularly preferably between 0.4 mm and 3 mm.
  • the contact bumps are preferably formed in one piece with the connection element, for example by stamping or deep drawing. Electrodes whose contact side is flat can be used for soldering.
  • the electrode surface is brought into contact with the contact bump.
  • the electrode surface is arranged parallel to the surface of the substrate.
  • the contact area between the electrode surface and the contact bump forms the soldering point.
  • the position of the soldering point is determined by the point on the convex surface of the contact elevation that has the greatest perpendicular distance to the surface of the substrate.
  • the position of the soldering point is independent of the position of the soldering electrode on the connection element. This is particularly advantageous in terms of reproducible, even heat distribution during the soldering process.
  • the heat distribution during the soldering process is determined by the position, size, arrangement and geometry of the contact bump.
  • connection element is provided with an adhesion-promoting layer, preferably made of nickel and / or copper, and additionally with a layer containing silver.
  • the connection element according to the invention is very particularly preferably coated with 0.1 ⁇ m to 0.3 ⁇ m nickel, optionally 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m copper thereon and 3 ⁇ m to 20 ⁇ m silver thereon.
  • the shape of the electrical connection element can form one or more solder deposits in the space between the connection element and the electrically conductive structure.
  • the solder deposits and wetting properties of the solder on the connection element prevent the solder compound from escaping from the gap.
  • Solder deposits can be rectangular, rounded or polygonal.
  • the electrically conductive structure can be applied to the substrate by methods known per se, in particular by a screen printing method.
  • the invention further includes the use of a pane according to the invention in buildings or in means of locomotion for traffic on land, in the air or on water, in particular in rail vehicles or motor vehicles, preferably as a windshield, rear window, side window and / or roof window, in particular as a heatable pane or as a disc with antenna function.
  • the electrically conductive structure 2 is widened to a width of about 10 mm and forms a contact surface for the electrical connection element 3.
  • the connection element 3 is used to make electrical contact between the electrically conductive structure 2 and an external voltage supply via a connection cable (not shown). The electrical contact is hidden from a viewer outside the car by a screen printing 6 between the electrically conductive structure 2 and the substrate 1.
  • connection element 1 is designed in the shape of a bridge and has a bridge area 3a and two oppositely arranged solder feet 3b.
  • Each solder foot 3b has a flat surface K on the underside, the surfaces K of the two solder feet 3b lying in one plane and forming the contact surface of the connection element 3 for soldering on.
  • the contact surfaces K are permanently electrically and mechanically connected to the electrically conductive structure 2 via a solder compound 4.
  • the soldering compound 4 is lead-free, contains 57% by weight of bismuth, 40% by weight of tin and 3% by weight of silver, and has a thickness of 250 ⁇ m.
  • connection element 5 is attached to the connection element 3.
  • the connecting element 5 is shown here schematically as a solid plate, but it can also be designed as a flexible connection cable, for example as a flat fabric tape.
  • Fig. 5 and Fig. 6 each show an exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a pane according to the invention with a connection element 3 according to the invention.
  • the sequence of the method steps is shown as an exemplary embodiment understand and do not limit the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement und einem daran angebrachten Verbindungselement, ein Verfahren zur deren Herstellung und deren Verwendung.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement für Fahrzeuge mit elektrisch leitfähigen Strukturen wie beispielsweise Heizleitern oder Antennenleitern. Die elektrisch leitfähigen Strukturen sind üblicherweise mit angelöteten elektrischen Anschlusselementen versehen, welche über Verbindungselemente mit der Bordelektrik verbunden sind. Die Verbindungselemente können flexible Anschlusskabel sein, welche direkt am Anschlusselement angebracht, üblicher mit dem Anschlusselement verschweißt sind. Typischerweise sind die Verbindungskabel mit einem genormten Steckverbinder ausgestattet. Die Scheiben können mit den Anschlusselementen samt Verbindungselement vorkonfektioniert hergestellt werden. Beim Einbau in die Fahrzeugkarosserie können die Verbindungselemente dann sehr einfach und zeitsparend mit den elektrischen Kabeln zur Bordelektrik verbunden werden, insbesondere mittels einer Steckverbindung.
  • Eine solche Scheibe ist beispielsweise aus EP 0 477 069 B1 , DE 4439645 C1 oder DE 9013380 U1 bekannt, wobei das flexible Verbindungskabel als fachübliches Flachgewebeband aus Kupfer ausgebildet ist. Das Verbindungselement kann aber auch als steifes Teil, bevorzugt mit Steckzunge, ausgebildet sein, wie beispielsweise aus EP 1 488 972 A1 bekannt ist.
  • Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien treten mechanische Spannungen bei der Herstellung und im Betrieb auf, welche die Scheiben belasten und den Bruch der Scheiben hervorrufen können.
  • Übliche Anschlusselemente sind aus Kupfer gefertigt, aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Glas allerdings sehr unterschiedlich sind, treten insbesondere beim Löten infolge der Erhitzung und Abkühlung mechanische Spannungen auf, welche die Scheibe oder die Lötverbindung beschädigen können. Herkömmliche bleihaltige Lote weisen eine hohe Duktilität auf, die auftretende mechanische Spannungen zwischen elektrischem Anschlusselement und der Scheibe durch plastische Deformierung kompensieren können. Allerdings müssen aufgrund der Altauto-Richtlinie 2000/53/EG innerhalb der EG bleihaltige Lote durch bleifreie Lote ersetzt werden. Die Richtlinie wird zusammenfassend mit dem Kürzel ELV (End of life vehicles) bezeichnet. Das Ziel ist dabei, im Zuge der massiven Ausweitung von Wegwerfelektronik äußerst problematische Bestandteile aus den Produkten zu verbannen. Die betroffenen Substanzen sind Blei, Quecksilber und Cadmium.
  • Bleifreie Lote weisen typischerweise eine deutlich geringere Duktilität auf und sind daher nicht in gleichem Maße wie bleihaltige Lote in der Lage, mechanische Spannungen zu kompensieren. Man ist daher insbesondere beim Löten mit bleifreien Lotmassen bemüht, mechanische Spannungen zu vermeiden, was beispielsweise durch eine geeignete Wahl des Materials des Anschlusselements möglich ist. Ist die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat, üblicherweise Kalk-Natron-Glas, und Anschlusselement klein, so treten nur geringe mechanische Spannungen auf.
  • Als besonders geeignetes Material für das Anschlusselement sind in WO 2012/152543 A1 beispielsweise chromhaltige (oder rostfreie) Stähle vorgeschlagen worden, die darüber hinaus vorteilhaft kostengünstig sind. Es ist jedoch wünschenswert, das am Anschlusselement angebrachte Verbindungselement weiterhin aus einem Material mit höherer Leitfähigkeit, insbesondere Kupfer, zu fertigen.
  • In WO 2014/079594 A1 wird vorgeschlagen ein Anschlusselement mit einem massiven Verbindungselement zu kombinieren. Das Material des Anschlusselements zur Kontaktierung mit der Scheibe kann dann in erster Linie hinsichtlich eines geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gewählt werden. Das Material des Verbindungselements zur Kontaktierung mit dem Anschlusskabel kann dagegen hinsichtlich anderer Kriterien, wie einer optimalen elektrischen Leitfähigkeit oder guten Formbarkeit gewählt werden.
  • Das Verbindungselement, sei es als flexibles Anschlusskabel oder als massives, beigesteifes Element ausgebildet, wird typischerweise mit dem Anschlusselement verschweißt, wobei das Verbindungselement auf der von der Scheibe abgewandten Oberseite des Anschlusselements angeordnet wird, wie aus dem genannten Stand der Technik deutlich wird. Diese Anordnung erweist sich jedoch als problematisch hinsichtlich mechanischer Belastungen, wie sie insbesondere beim Aufstecken des Kabels auf das Verbindungselement auftreten. Zug-, Hebel- und Scherkräfte belasten die Schweißverbindung stark, was zu deren Beschädigung oder gar Bruch führen kann. Die Verbindung ist besonders dann anfällig, wenn für das Anschlusselement und das Verbindungselement verschiedene Materialien verwendet werden, welche sich aufgrund einer unterschiedlichen Schmelztemperatur nicht ideal verschweißen lassen.
  • Die Druckschriften JP 2004189023 A und JP 2015069893 A zeigen jeweils eine Anordnung, bei der ein Verbindungselement auf der einem Substrat zugewandten Oberfläche eines Anschlusselements angebracht ist. In JP 2004189023 A wird das Verbindungselement in eine Aufnahme des Anschlusselements eingesteckt. In JP 2015069893 A erfolgt eine Verbindung zwischen Verbindungs- und Anschlusselement durch Crimpen oder Löten.
  • Eine Scheibe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus JP 2004 189023 A bekannt. JP 2015 069893 A offenbart ein Anschlusselement mit einem an dessen Unterseite angebrachten Anschlusskabel. WO 2012/152543 A1 offenbart ein Anschlusskabel aus Kupfer, das mit einem Anschlusselement aus chromhaltigem Stahl verschweißt ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Scheibe mit elektrischem Anschlusselement und daran angebrachtem Verbindungselement bereitzustellen, wobei die Verbindung zwischen Anschlusselement und Verbindungselement höheren Belastungen widerstehen kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Die erfindungsgemäße Scheibe mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement umfasst mindestens:
    • ein Substrat,
    • eine elektrisch leitfähige Struktur auf einem Bereich des Substrats,
    • ein brückenförmiges elektrisches Anschlusselement, umfassend einen Brückenbereich und mindestens zwei Lötfüße, welche über eine Lotmasse mit einem Bereich der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden sind, und
    • ein an dem Anschlusselement angebrachtes elektrisches Verbindungselement.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement ist brückenförmig ausgebildet. Ein solches Anschlusselement umfasst einen Brückenbereich und mindestens zwei Lotfüße. Die Lotfüße verfügen über Kontaktflächen, die über die Lotmasse mit der leitfähigen Struktur in Kontakt stehen. Der Brückenbereich ist typischerweise, aber nicht notwendigerweise plan ausgebildet und im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet. Der Brückenbereich hat keinen direkten Kontakt zum Substrat, sondern ist oberhalb des Substrats angeordnet, so dass zwischen Brückenbereich und Substratoberfläche ein Hohlraum entsteht. Die Lötfüße erstrecken sich ausgehend von zwei gegenüberliegenden Seiten des Brückenbereichs in Richtung Substratoberfläche und weisen an ihrem Ende typischerweise Abschnitte auf, die plan und im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche angeordnet sind. Die zum Substrat hingewandten Oberflächen dieser Abschnitte bilden die Kontaktflächen (oder Lötflächen), welche über die Lotmasse mit der elektrisch leitfähigen Struktur auf dem Substrat in Kontakt stehen.
  • Vorteilhaft ist das Verbindungselement länglich ausgebildet und weist eine Erstreckungsrichtung auf, die nicht parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Anschlusselements ist. Die Erstreckungsrichtung des Anschlusselements ergibt sich durch eine kürzeste (gedachte) Verbindung zwischen den beiden Lotfüßen. Besonders vorteilhaft ist die Erstreckungsrichtung des Verbindungselement (im Wesentlichen) senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Anschlusselements gerichtet.
  • Das Verbindungselement ist zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen, insbesondere mittels eines elektrischen Kabels. Dieses Kabel verbindet die elektrisch leitfähige Struktur auf dem Substrat mit einem externen Funktionselement, beispielsweise einer Spannungsversorgung oder einem Empfangsgerät. Dazu ist das Kabel ausgehend vom Anschlusselement bevorzugt über die Seitenkanten der Scheibe hinweg von der Scheibe weggeführt. Das Kabel kann prinzipiell jedes Anschlusskabel sein, das dem Fachmann zur elektrischen Kontaktierung einer elektrisch leitfähigen Struktur bekannt ist, beispielsweise ein Flachleiter, ein Drahtlitzenleiter oder ein Volldrahtleiter. Die Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Kabel kann auf jede dem Fachmann geläufige Art erfolgen, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Verschrauben, über einen elektrisch leitfähigen Kleber oder als Steckverbindung.
  • Typischerweise auftretenden Zugkräfte weisen eine Komponente nach oben, also vom Substrat wegweisend, auf. Ist das Verbindungselement auf herkömmliche Weise auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Brückenbereichs angeordnet, so wirken diese Zugkräfte direkt auf die Verbindung zwischen Verbindungselement und Anschlusselement. Dies kann leicht zum Bruch der Verbindung (insbesondere ein sogenanntes "Abschälen" des Verbindungselements) führen, besonders dann, wenn die Verbindung geschwächt ist, wie es beispielsweise bei einer Schweißverbindung von verschiedenen Materialien auftritt. Der erfinderische Gedanke besteht nun darin, die Zugkräfte nicht auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche, sondern auf der dem Substrat zugewandten Oberfläche des Brückenbereichs angreifen zu lassen. Die Erfinder haben erkannt, dass dadurch die für einen Bruch erforderlichen Zugkräfte deutlich erhöht werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann daher höheren Kräften widerstehen und ist deutlich stabiler als die herkömmliche.
  • Die Erfindung kann auf zwei verschiedene Arten realisiert werden:
    • In einer ersten Ausgestaltung ist das Verbindungselement auf der dem Substrat zugewandten Oberfläche des Brückenbereichs angebracht.
    • In einer zweiten Ausgestaltung ist das Verbindungselement auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Brückenbereichs angebracht und um den Brückenbereich herumgeführt, so dass es an der dem Substrat zugewandten Oberfläche des Brückenbereichs anliegt. Das Verbindungselement verläuft von der vom Substrat abgewandten Oberfläche um eine Seitenkante des Brückenbereichs herum und entlang der zum Substrat hingewandten Oberfläche des Brückenbereichs. Bevorzugt liegt das Verbindungselement an der gesamten dem Substrat zugewandten Oberfläche (vollflächig) an. So wird eine optimale Stabilität erreicht. Grundsätzlich genügt es aber, wenn das Verbindungselement nur an einem Teil der Oberfläche anliegt, beispielsweise an derjenigen Kante, welche der Seitenkante gegenüberliegt, um welche das Verbindungselement herum geführt ist.
  • Auch eine Kombination der beiden Ausgestaltungen ist möglich, bei der das Verbindungselement an der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Brückenbereichs angebracht ist, um den Brückenbereich herumgeführt ist und nicht nur an der dem Substrat zugewandten Oberfläche anliegt, sondern auch mit dieser Oberfläche fest verbunden, beispielsweise verschweißt ist. So kann eine noch weiter gesteigerte Stabilität der Verbindung erreicht werden. Allerdings wird die Herstellung dadurch erheblich aufwendiger.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement der erfindungsgemäßen Scheibe mit einem elektrischen Anschlusskabel verbunden, insbesondere über das dem Anschlusselement gegenüberliegende Ende des Verbindungselements.
  • Die Lotmasse ist in einer bevorzugten Ausgestaltung bleifrei. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit der erfindungsgemäßen Scheibe mit elektrischem Anschlusselement. Als bleifreie Lotmasse ist im Sinne der Erfindung eine Lotmasse zu verstehen, welche entsprechend der EG-Richtlinie "2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten" einen Anteil von kleiner oder gleich 0,1 Gew.-% Blei, bevorzugt kein Blei enthält.
  • Bei bleifreien Lotmassen ist es besonders vorteilhaft, Anschlusselement und Verbindungselement aus verschiedenen Materialien auszuwählen. Da bleifreie Lotmassen mechanische Spannungen nicht gut kompensieren können, ist es vorteilhaft, das Material des Anschlusselements hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Substrat anzupassen und das Material des Verbindungselements hinsichtlich einer guten elektrischen Leitfähigkeit auszuwählen. Da die Verbindung, insbesondere Schweißverbindung, zweier unterschiedlicher Materialien schwächer ist als die Verbindung gleicher Materialien, wirkt sich die stabilitätssteigernde Wirkung der Erfindung besonders vorteilhaft aus.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind Anschlusselement und Verbindungselement aus verschiedenen Materialien gebildet. Die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Materials des Anschlusselements und der Schmelztemperatur des Materials des Verbindungselements beträgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung größer 200 °C, bevorzugt größer 300 °C, besonders bevorzugt größer 400 °C. Bei solchen Anschlusselementen kommen die erfindungsgemäßen Vorteile in besonderer Weise zum Tragen, weil die Verbindung, insbesondere die fachübliche Schweißverbindung, bei solchen Differenzen der Schmelztemperatur besonders anfällig sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement mittels einer Schweißverbindung an dem Anschlusselement angebracht ist. Das ist vorteilhaft, da eine Schweißverbindung schnell und kostengünstig herzustellen ist und zur Verbindung von Anschlusselement und Verbindungselement allgemein üblich ist, so dass etablierte industrielle Prozesse nicht verändert werden müssen. Wie vorstehend beschrieben, wirkt sich die Erfindung bei einer Schweißverbindung unterschiedlicher Materialien besonders vorteilhaft aus. Alternativ können aber auch andere Verbindungstechniken gewählt werden. So können Anschlusselement und Verbindungselement beispielsweise durch eine Clinchverbindung, eine Lötverbindung, eine Crimpverbindung oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verbunden sein. Auch in diesen Fällen wirkt sich die Erfindung stabilitätssteigernd aus, weil die anfällige Verbindungsstelle weniger stark durch Zug-, Scher- oder Hebelkräfte belastet wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement ein flexibles Anschlusskabel. Das flexible Anschlusskabel ist ein biegeschlaffes, elektrisch leitfähiges Kabel. Das Anschlusskabel kann auch mit einer Aderendhülse oder einem Crimp (um das Anschlusskabel gecrimptes Metallteil) versehen sein, welcher mit dem Anschlusselement verbunden ist.
  • Das flexible Anschlusskabel ist in einer bevorzugten Ausgestaltung als Flachgewebeband ausgebildet. Ein Flachgewebeband wird häufig auch als geflochtener Drahtlitzenleiter oder "woven wire" bezeichnet. Das Anschlusskabel kann alternativ auch als Rundkabel ausgebildeter Drahtlitzenleiter ausgebildet sein, der typischerweise mit einer polymeren Isolationshülle versehen ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement ein massives Metallplättchen. Unter einem massiven Metallplättchen wird hierbei ein starres, zwar möglicherweise gut umformbares, aber nicht biegeschlaffes Metallplättchen gemeint. Das Metallplättchen bleibt nach Umformen in der gewünschten Form und Position.
  • Das Verbindungselement, sei es als flexibles Anschlusskabel oder als massives Metallplättchen ausgebildet, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung an dem dem Anschlusselement gegenüberliegenden Ende mit einem normgerechten Flachstecker ausgebildet, insbesondere Kraftfahrzeugflachstecker mit einer Höhe von 0,8 mm und einer Breite von 4,8 mm oder 6,3 mm oder mit einer Höhe von 1,2 mm und einer Breite von 9,5 mm. Besonders bevorzugt beträgt die Breite 6,3 mm, da dies den in diesem Bereich üblicherweise verwendeten Kraftfahrzeugflachsteckern nach DIN 46244 entspricht. Durch den Flachstecker wird ein einfacher Anschluss von elektrischen Kabeln zur Spannungsversorgung gewährleistet. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung des Anschlusselements jedoch auch über eine Löt-, Schweiß-, Crimp-, Clinch- oder Klemmverbindung oder einen leitfähigen Klebstoff erfolgen.
  • Das Substrat enthält bevorzugt Glas, besonders bevorzugt Kalk-Natron-Glas. Das Substrat ist bevorzugt eine Glasscheibe, besonders bevorzugt Fensterscheibe, insbesondere Fahrzeugscheibe. Das Substrat kann grundsätzlich aber auch andere Glasarten enthalten, beispielsweise Quarzglas oder Borsilikatglas, oder Polymere, bevorzugt Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polybutadien, Polynitrile, Polyester, Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyacrylat, Polyamid, Polyethylenterephthalat und / oder Copolymere oder Gemische davon.
  • Das Substrat ist bevorzugt transparent oder transluzent. Das Substrat weist bevorzugt eine Dicke von 0,5 mm bis 25 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 10 mm und ganz besonders bevorzugt von 1,5 mm bis 5 mm auf.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anschlusselements kleiner als 5 x 10-6/°C, bevorzugt kleiner 3 x 10-6/°C. Durch eine solch geringe Differenz können kritische thermische Spannungen infolge des Lötvorgangs vorteilhaft vermieden werden und es wird eine bessere Haftung erreicht.
  • Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats beträgt bevorzugt von 8 x 10-6/°C bis 9 x 10-6/°C. Das Substrat enthält bevorzugt Glas, insbesondere Kalk-Natron-Glas, das bevorzugt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,3 x 10-6/°C bis 9 x 10-6/°C in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 300 °C aufweist.
  • Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anschlusselements beträgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung von 4 x 10-6/°C bis 15 x 10-6/°C, bevorzugt von 9 x 10-6/°C bis 13 x 10-6/°C, besonders bevorzugt von 10 x 10-6/°C bis 11,5 x 10-6/°C, ganz besonders bevorzugt von 10 x 10-6/°C bis 11 x 10-6/°C und insbesondere von 10 x 10-6/°C bis 10,5 x 10-6/°C in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 300 °C.
  • Das Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest eine eisenhaltige Legierung. Das Anschlusselement enthält besonders bevorzugt zumindest 50 Gew.-% bis 89,5 Gew.-% Eisen, 0 Gew.-% bis 50 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% Chrom, 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% Kobalt, 0 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Silizium, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% Mangan, 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Molybdän, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Vanadium, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Aluminium und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Wolfram.
  • Das Anschlusselement kann beispielsweise eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung enthalten, wie Kovar (FeCoNi) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von üblicherweise etwa 5 x 10-6/°C aufweist. Die Zusammensetzung von Kovar ist beispielsweise 54 Gew.-% Eisen, 29 Gew.-% Nickel und 17 Gew.-% Kobalt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält das Anschlusselement einen chromhaltigen Stahl. Chromhaltiger, insbesondere sogenannter rostfreier oder nichtrostender Stahl, ist kostengünstig verfügbar. Anschlusselemente aus chromhaltigem Stahl weisen zudem im Vergleich zu vielen herkömmlichen Anschlusselementen, beispielsweise aus Kupfer, eine hohe Steifigkeit auf, was zu einer vorteilhaften Stabilität des Anschlusselements führt. Zudem weist chromhaltiger Stahl im Vergleich zu vielen herkömmlichen Anschlusselementen, beispielsweise solchen aus Titan, eine verbesserte Lötbarkeit auf, die sich aus einer höheren Wärmeleitfähigkeit ergibt.
  • Das Anschlusselement enthält bevorzugt einen chromhaltigen Stahl mit einem Anteil an Chrom von größer oder gleich 10,5 Gew.-%. Weitere Legierungsbestandteile wie Molybdän, Mangan oder Niob, führen zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit oder veränderten mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit oder Kaltumformbarkeit.
  • Das Anschlusselement enthält besonders bevorzugt zumindest 66,5 Gew.-% bis 89,5 Gew.-% Eisen, 10,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% Chrom, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% Mangan, 0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% Niob und 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan. Das Anschlusselement kann zusätzlich Beimengungen weiterer Elemente enthalten, darunter Vanadium, Aluminium und Stickstoff.
  • Das Anschlusselement enthält ganz besonders bevorzugt zumindest 73 Gew.-% bis 89,5 Gew.-% Eisen, 10,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% Chrom, 0 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mangan, 0 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Molybdän, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob und 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan. Das Anschlusselement kann zusätzlich Beimengungen weiterer Elemente enthalten, darunter Vanadium, Aluminium und Stickstoff.
  • Das Anschlusselement enthält insbesondere zumindest 77 Gew.-% bis 84 Gew.-% Eisen, 16 Gew.-% bis 18,5 Gew.-% Chrom, 0 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mangan, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob, 0 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Molybdän und 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan. Das Anschlusselement kann zusätzlich Beimengungen weiterer Elemente enthalten, darunter Vanadium, Aluminium und Stickstoff.
  • Besonders geeignete chromhaltige Stähle sind Stähle der Werkstoffnummern 1.4016, 1.4113, 1.4509 und 1.4510 nach EN 10 088-2.
  • Das Verbindungselement enthält in einer bevorzugten Ausgestaltung Kupfer, beispielsweise elektrolytisches Kupfer. Ein solches Verbindungselement weist eine vorteilhaft hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Außerdem ist eine solches Verbindungselement vorteilhaft umformbar, was zur Verbindung mit dem Anschlusskabel erwünscht oder erforderlich sein kann. So kann das Verbindungselement beispielsweise mit einem Winkel versehen werden, wodurch die Anschlussrichtung des Anschlusskabels einstellbar ist.
  • Das Verbindungselement kann auch eine kupferhaltige Legierung enthalten, wie Messing- oder Bronze-Legierungen, beispielsweise Neusilber oder Konstantan.
  • Das Verbindungselement weist bevorzugt einen elektrischen Widerstand von 0,5 µOhm•cm bis 20 µOhm·cm auf, besonders bevorzugt von 1,0 µOhm·cm bis 15 µOhm·cm, ganz besonders bevorzugt von 1,5 µOhm·cm bis 11 µOhm·cm.
  • Das Verbindungselement enthält besonders bevorzugt 45,0 Gew.-% bis 100 Gew.-% Kupfer, 0 Gew.-% bis 45 Gew.-% Zink, 0 Gew.-% bis 15 Gew.-% Zinn, 0 Gew.-% bis 30 Gew.-% Nickel und 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Silicium.
  • Besonders geeignet als Material des Verbindungselements ist elektrolytisches Kupfer mit der Werkstoffnummer CW004A (ehemals 2.0065) und CuZn30 mit der Werkstoffnummer CW505L (ehemals 2.0265).
  • Die Materialstärke des Anschlusselements beträgt bevorzugt von 0,1 mm bis 4 mm, besonders bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, ganz besonders bevorzugt von 0,4 mm und 1 mm, beispielsweise 0,8 mm. Selbiges gilt für das Verbindungselement, wenn es als massives Plättchen ausgebildet ist. Die Materialstärke ist bevorzugt konstant, was besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Herstellung der Elemente ist.
  • Die Abmessungen des Anschlusselements können vom Fachmann nach den Erfordernissen des Einzelfalls frei gewählt werden. Das Anschlusselement weist beispielsweise eine Länge und eine Breite von 1 mm bis 50 mm auf. Die Länge des Anschlusselements beträgt bevorzugt von 10 mm bis 30 mm, besonders bevorzugt von 20 mm bis 25 mm. Die Breite des Anschlusselements beträgt bevorzugt von 1 mm bis 30 mm, besonders bevorzugt von 2 mm bis 10 mm. Anschlusselemente mit diesen Abmessungen lassen sich besonders gut handhaben und eignen sich besonders zur elektrischen Kontaktierung leitfähiger Strukturen auf Scheiben.
  • Die erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Struktur weist bevorzugt eine Schichtdicke von 5 µm bis 40 µm, besonders bevorzugt von 5 µm bis 20 µm, ganz besonders bevorzugt von 8 µm bis 15 µm und insbesondere von 10 µm bis 12 µm auf. Die erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Struktur enthält bevorzugt Silber, besonders bevorzugt Silberpartikel und Glasfritten.
  • Die Lotmasse enthält bevorzugt Zinn und Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon. Der Anteil an Zinn in der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung beträgt von 3 Gew.-% bis 99,5 Gew.-%, bevorzugt von 10 Gew.-% bis 95,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 15 Gew.-% bis 60 Gew.-%. Der Anteil an Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon beträgt in der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung von 0,5 Gew.-% bis 97 Gew.-%, bevorzugt 10 Gew.-% bis 67 Gew.-%, wobei der Anteil an Wismut, Indium, Zink, Kupfer oder Silber 0 Gew.-% betragen kann. Die Lotzusammensetzung kann Nickel, Germanium, Aluminium oder Phosphor mit einem Anteil von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% enthalten. Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung enthält ganz besonders bevorzugt Bi40Sn57Ag3, Sn40Bi57Ag3, Bi59Sn40Ag1, Bi57Sn42Ag1, In97Ag3, Sn95,5Ag3,8Cu0,7, Bi67In33, Bi33In50Sn17, Sn77,2In20Ag2,8, Sn95Ag4Cu1, Sn99Cu1, Sn96,5Ag3,5, Sn96,5Ag3Cu0,5, Sn97Ag3 oder Gemische davon.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Lotmasse Wismut. Es hat sich gezeigt, dass eine Wismut-haltige Lotmasse zu einer besonders guten Haftung des erfindungsgemäßen Anschlusselements an der Scheibe führt, wobei Beschädigungen der Scheibe vermieden werden können. Der Anteil des Wismuts an der Lotmassenzusammensetzung beträgt bevorzugt von 0,5 Gew.-% bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 Gew.-% bis 67 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 33 Gew.-% bis 67 Gew.-%, insbesondere von 50 Gew.-% bis 60 Gew.-%. Die Lotmasse enthält neben Wismut bevorzugt Zinn und Silber oder Zinn, Silber und Kupfer. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält die Lotmasse zumindest 35 Gew.-% bis 69 Gew.-% Wismut, 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% Zinn, 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% Silber und 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kupfer. In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung enthält die Lotmasse zumindest 49 Gew.-% bis 60 Gew.-% Wismut, 39 Gew.-% bis 42 Gew.-% Zinn, 1 Gew.-% bis 4 Gew.-% Silber und 0 Gew.-% bis 3 Gew.-% Kupfer.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Lotmasse von 90 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% Zinn, bevorzugt von 95 Gew.-% bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt von 93 Gew.-% bis 98 Gew.-%. Die Lotmasse enthält neben Zinn bevorzugt von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Silber und von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kupfer.
  • Die Schichtdicke der Lotmasse ist bevorzugt kleiner oder gleich 6.0 x 10-4 m, besonders bevorzugt kleiner 3.0 x 10-4 m.
  • Die Lotmasse tritt mit einer Austrittsbreite von bevorzugt kleiner 1 mm aus dem Zwischenraum zwischen dem Lötbereich des Anschlusselements und der elektrisch leitfähigen Struktur aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die maximale Austrittsbreite kleiner 0,5 mm und insbesondere etwa 0 mm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Reduzierung von mechanischen Spannungen in der Scheibe, die Haftung des Anschlusselements und die Einsparung des Lots. Die maximale Austrittsbreite ist definiert als der Abstand zwischen den Außenkanten des Lötbereichs und der Stelle des Lotmasseübertritts, an dem die Lotmasse eine Schichtdicke von 50 µm unterschreitet. Die maximale Austrittsbreite wird nach dem Lötvorgang an der erstarrten Lotmasse gemessen. Eine gewünschte maximale Austrittsbreite wird durch eine geeignete Wahl von Lotmassenvolumen und lotrechtem Abstand zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur erreicht, was durch einfache Versuche ermittelt werden kann. Der lotrechte Abstand zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur kann durch ein entsprechendes Prozesswerkzeug, beispielsweise ein Werkzeug mit einem integrierten Abstandshalter, vorgegeben werden. Die maximale Austrittsbreite kann auch negativ sein, also in den vom Lötbereich des elektrischen Anschlusselements und elektrisch leitfähiger Struktur gebildeten Zwischenraum zurückgezogen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe ist die maximale Austrittsbreite in dem vom Lötbereich des elektrischen Anschlusselements und der elektrisch leitfähigen Struktur gebildeten Zwischenraum in einem konkaven Meniskus zurückgezogen. Ein konkaver Meniskus entsteht beispielsweise durch Erhöhen des lotrechten Abstands zwischen Abstandshalter und leitfähiger Struktur beim Lötvorgang, während das Lot noch flüssig ist. Der Vorteil liegt in der Reduzierung der mechanischen Spannungen in der Scheibe, insbesondere im kritischen Bereich, der bei einem großen Lotmasseübertritt vorliegt.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Lötfläche des Anschlusselements Abstandshalter auf. Die Abstandshalter sind bevorzugt einstückig mit dem Anschlusselement ausgebildet, beispielsweise durch Prägen oder Tiefziehen. Die Abstandshalter haben bevorzugt eine Breite von 0,5 x 10-4 m bis 10 x 10-4 m und eine Höhe von 0,5 x 10-4 m bis 5 x 10-4 m, besonders bevorzugt von 1 x 10-4 m bis 3 x 10-4 m. Durch die Abstandshalter wird eine homogene, gleichmäßig dicke und gleichmäßig aufgeschmolzene Schicht der Lotmasse erreicht. Dadurch können mechanische Spannungen zwischen Anschlusselement und Scheibe verringert werden und die Haftung des Anschlusselements verbessert werden. Das ist insbesondere bei der Verwendung bleifreier Lotmassen besonders vorteilhaft, die aufgrund ihrer geringeren Duktilität im Vergleich zu bleihaltigen Lotmassen mechanische Spannungen weniger gut kompensieren können.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Anschlusselements zumindest eine Kontakterhebung angeordnet werden, welche der Kontaktierung des Anschlusselements mit dem Lötwerkzeug während des Lötvorgangs dient. Die Kontakterhebung ist bevorzugt zumindest im Bereich der Kontaktierung mit dem Lötwerkzeug konvex gekrümmt ausgeformt. Die Kontakterhebung hat bevorzugt eine Höhe von 0,1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,2 mm bis 1 mm. Die Länge und Breite der Kontakterhebung beträgt bevorzugt zwischen 0,1 und 5 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,4 mm und 3 mm. Die Kontakterhebungen sind bevorzugt einstückig mit dem Anschlusselement ausgebildet, beispielsweise durch Prägen oder Tiefziehen. Zum Löten können Elektroden verwendet werden, deren Kontaktseite flach ausgeformt ist. Die Elektrodenfläche wird mit der Kontakterhebung in Kontakt gebracht. Die Elektrodenfläche ist dabei parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnet. Der Kontaktbereich zwischen Elektrodenfläche und Kontakterhebung bildet die Lötstelle. Die Position der Lötstelle wird dabei durch den Punkt auf der konvexen Oberfläche der Kontakterhebung bestimmt, der den größten lotrechten Abstand zur Oberfläche des Substrats aufweist. Die Position der Lötstelle ist unabhängig von der Position der Lötelektrode auf dem Anschlusselement. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine reproduzierbare, gleichmäßige Wärmeverteilung während des Lötvorgangs. Die Wärmeverteilung während des Lötvorgangs wird durch die Position, die Größe, die Anordnung und die Geometrie der Kontakterhebung bestimmt.
  • Das Anschlusselement und/oder das Verbindungselement können eine Beschichtung (Benetzungsschicht) aufweisen, die beispielsweise Nickel, Kupfer, Zink, Zinn, Silber, Gold oder Legierungen oder Schichten davon enthält, bevorzugt Silber oder Zinn. Dadurch wird eine verbesserte Benetzung des Anschlusselements mit der Lotmasse und eine verbesserte Haftung des Anschlusselements erreicht. Zudem kann durch eine solche Beschichtung die elektrische Leitfähigkeit des Anschlusselements und des Verbindungselements erhöht werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlusselement mit einer haftvermittelnden Schicht, bevorzugt aus Nickel und/oder Kupfer, und zusätzlich mit einer Schicht enthaltend Silber versehen. Das erfindungsgemäße Anschlusselement ist ganz besonders bevorzugt mit 0,1 µm bis 0,3 µm Nickel, darauf optional 0,1 µm bis 10 µm Kupfer und darauf 3 µm bis 20 µm Silber beschichtet.
  • Die Form des elektrischen Anschlusselementes kann ein oder mehrere Lotdepots im Zwischenraum von Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur ausbilden. Die Lotdepots und Benetzungseigenschaften des Lotes am Anschlusselement verhindern den Austritt der Lotmasse aus dem Zwischenraum. Lotdepots können rechtwinklig, verrundet oder polygonal ausgestaltet sein.
  • Die Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Scheibe, wobei
    1. (a) das brückenförmige elektrische Anschlusselement mit dem Verbindungselement verbunden wird,
    2. (b) die Lotmasse auf den Kontaktflächen der Lötfüße des Anschlusselements aufgebracht wird,
    3. (c) das Anschlusselement mit der Lotmasse auf einem Bereich einer elektrisch leitfähigen Struktur, welche auf einem Bereich eines Substrats aufgebracht ist, angeordnet wird, und
    4. (d) das Anschlusselement mit der elektrisch leitfähigen Struktur unter Energieeintrag verbunden wird.
  • Das Verbinden von Anschlusselement und Verbindungselement erfolgt bevorzugt durch Schweißen, kann aber auch durch Clinchen, Crimpen, Löten, Kleben oder Klemmen erfolgen.
  • Das Verbindungselement wird mit der zum Substrat hingewandten Oberfläche des Brückenbereichs verbunden oder mit der vom Substrat abgewandten Oberfläche. Im letztgenannten Fall muss das Verbindungselement um den Brückenbereich herumgeführt werden, bevor es mit einem elektrischen Kabel verbunden wird. Ist das Verbindungselement massiv ausgebildet, erfolgt dies vor Verfahrensschritt (c). Das Verbindungselement kann schon vor Verfahrensschritt (a) vorgeformt werden oder nach Verfahrensschritt (a) oder (b) umgeformt werden. Ist das Verbindungselement als flexibles Kabel ausgebildet, kann das Herumführen um den Brückenbereich auch noch nach dem Anlöten in Schritt (d) erfolgen.
  • Die Lotmasse wird bevorzugt als Plättchen oder abgeflachter Tropfen mit festgelegter Schichtdicke, Volumen, Form und Anordnung auf dem Anschlusselement angebracht. Die Schichtdicke des Lotmasseplättchens beträgt bevorzugt kleiner oder gleich 0,6 mm. Die Form des Lotmasseplättchens richtet sich bevorzugt nach der Form der Kontaktfläche des Anschlusselementes und ist beispielsweise rechteckig, kreisförmig, oval oder rechteckig mit abgerundeten Ecken oder rechteckig mit an zwei gegenüberliegenden Seiten angesetzten Halbkreisen.
  • Das Einbringen der Energie beim elektrischen Verbinden von elektrischem Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur erfolgt bevorzugt mit Stempellöten, Thermodenlöten, Kolbenlöten, Laserlöten, Heißluftlöten, Induktionslöten, Widerstandslöten und/oder mit Ultraschall.
  • Die elektrisch leitfähige Struktur kann durch an sich bekannte Verfahren auf das Substrat aufgebracht werden, insbesondere durch ein Siebdruck-Verfahren.
  • Die Erfindung umfasst weiter die Verwendung einer erfindungsgemäßen Scheibe in Gebäuden oder in Fortbewegungsmitteln für den Verkehr auf dem Lande, in der Luft oder zu Wasser, insbesondere in Schienenfahrzeugen oder Kraftfahrzeugen, bevorzugt als Windschutzscheibe, Heckscheibe, Seitenscheibe und/oder Dachscheibe, insbesondere als beheizbare Scheibe oder als Scheibe mit Antennenfunktion.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Explosivdarstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe mit elektrischem Anschlusselement,
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch das Anschlusselement mit Verbindungselement gemäß Figur 1,
    Fig. 3
    einen weiteren Querschnitt durch das Anschlusselement mit Verbindungselement gemäß Figur 1,
    Fig. 4
    einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements mit Verbindungselement,
    Fig. 5
    ein Flussdiagramm einer Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und
    Fig. 6
    ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
  • Fig.1 zeigt eine erfindungsgemäße Scheibe (Explosionsdarstellung), Fig. 2 einen Schnitt entlang der Längsachse des erfindungsgemäßen Anschlusselements. Fig. 3 zeigt einen weiteren Schnitt senkrecht dazu entlang der Längsachse des Verbindungselements durch den Brückenbereich. Die Scheibe ist beispielsweise eine Heckscheibe eines PKWs und umfasst ein Substrat 1, welches ein 3 mm dickes thermisch vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas aus Natron-Kalk-Glas ist. Das Substrat 1 weist beispielsweise eine Breite von 150 cm und eine Höhe von 80 cm auf. Auf das Substrat 1 ist eine elektrisch leitfähige Struktur 2 in Form einer Heizleiterstruktur aufgedruckt. Die elektrisch leitfähige Struktur 2 enthält Silberpartikel und Glasfritten. Im Randbereich der Scheibe ist die elektrisch leitfähige Struktur 2 auf eine Breite von etwa 10 mm verbreitert und bildet eine Kontaktfläche für das elektrische Anschlusselement 3. Das Anschlusselement 3 dient der elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Struktur 2 mit einer externen Spannungsversorgung über ein nicht dargestelltes Anschlusskabel. Die elektrische Kontaktierung ist für einen Betrachter außerhalb des PKWs durch einen Abdecksiebdruck 6 zwischen elektrisch leitfähiger Struktur 2 und Substrat 1 verborgen.
  • Das Anschlusselement 1 ist brückenförmig ausgebildet und weist einen Brückenbereich 3a und zwei gegenüberliegend angeordnete Lotfüße 3b auf. Jeder Lotfuß 3b weist auf der Unterseite eine plane Fläche K auf, wobei die Flächen K der beiden Lotfüße 3b in einer Ebene liegen und die Kontaktfläche des Anschlusselements 3 zum Auflöten bilden. Die Kontaktflächen K sind über eine Lotmasse 4 mit der elektrisch leitfähigen Struktur 2 dauerhaft elektrisch und mechanisch verbunden. Die Lotmasse 4 ist bleifrei, enthält 57 Gew.-% Wismut, 40 Gew.-% Zinn und 3 Gew.-% Silber, und hat eine Dicke von 250 µm.
  • Am Anschlusselement 3 ist ein Verbindungselement 5 angebracht. Das Verbindungselement 5 ist hier schematisch als massives Plättchen dargestellt, es kann aber auch als flexibles Anschlusskabel, beispielsweise als Flachgewebeband ausgebildet sein.
  • Das Anschlusselement 3 und das Verbindungselement 5 weisen jeweils eine Materialstärke von 0,8 mm auf. Aus dem Verbindungselement 5 kann so vorteilhafterweise ein normgerechter Kraftfahrzeug-Steckverbinder ausgebildet werden. Will man für das Verbindungselement 5 eine geringere Materialstärke verwenden, so empfiehlt sich eine Materialstärke, deren geradzahliges Vielfaches 0,8 mm ergibt, also beispielsweise 0,4 mm oder 0,2 mm, so dass durch Umfalten die Dicke des normgerechten Steckverbinders erreicht werden kann. Das Anschlusselement 3 hat beispielsweise eine Länge von 24 mm und Breite von 4 mm. Das Verbindungselement 5 weist beispielsweise eine Breite von 6,3 mm und eine Länge von 27 mm auf.
  • Um kritische mechanische Spannungen infolge von Temperaturänderungen zu vermeiden, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anschlusselements 3 auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats 1 abgestimmt. Das Anschlusselement 3 besteht beispielsweise aus chromhaltigem Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10,5 x 10-6/°C im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C. Fahrzeugscheiben sind typischerweise aus Kalk-Natron-Glas gefertigt, was einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 9·10-6/°C aufweist. Durch die geringe Differenz der Ausdehnungskoeffizienten können kritische thermische Spannungen vermieden werden.
  • Das Verbindungselement 5 soll eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gute Umformbarkeit aufweisen, was für die Kontaktierung mit einem Anschlusskabel vorteilhaft ist. Das Verbindungselement 5 besteht daher aus Kupfer der Werkstoffnummer CW004A (Cu-ETP) mit einem elektrischen Widerstand von 1,8 µOhm•cm. Das Verbindungselement 5 kann zudem zum Oxidationsschutz verzinnt oder zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit versilbert sein.
  • Das Anschlusselement 3 und das Verbindungselement 5 sind miteinander verschweißt. Aufgrund der unterschiedlichen Materialen ist die Schweißverbindung allerdings geschwächt. Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 hat eine Schmelztemperatur von etwa 1505 °C, Kupfer dagegen etwa 1083 °C. Der große Unterschied der Schmelzpunkte führt zu Problemen beim Verschweißen. So muss das Anschlusselement 3 auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden, um anzuschmelzen. Dabei kann das Verbindungselement 5 Schaden nehmen. Das Verbindungselement 5 als geschmolzenes und ausgeglühtes Kupferteil bildet dann einen Schwachpunkt der Anordnung.
  • Wäre das Verbindungselement, so wie bislang üblich, auf der vom Substrat 1 abgewandten Oberfläche II (Oberseite) des Anschlusselements angeordnet, so könnte die geschwächte Verbindung leicht zum Ablösen ("Abschälen") des Verbindungselements führen, weil insbesondere am Verbindungselement ansetzende Zugkräfte direkt auf diese Verbindung wirken würden. Das Verbindungselement 5 könnte sich vom Anschlusselement 3 lösen. Dieser Effekt kann bereits bei geringeren Zugkräften auftreten als für die Fahrzeugindustrie akzeptabel.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Ausgestaltungen ist das Verbindungselement 5 erfindungsgemäß nicht auf der Oberseite II, sondern auf der dem Substrat 1 zugewandten Oberfläche I (Unterseite) des Brückenbereichs 3a angebracht (angeschweißt). Zugkräfte, die typischerweise eine Kraftkomponente nach oben (vom Substrat 1 aus gesehen) aufweisen, werden gleichsam umgelenkt um den Brückenbereich 3a und können daher nicht direkt auf die geschwächte Verbindung wirken. Die Verbindung kann daher deutlich höheren Zugkräften widerstehen.
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse des Verbindungselements 5 einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Das Verbindungselement 5 ist an die vom Substrat abgewandte Oberfläche II des Brückenbereichs 3a angeschweißt. Von dort verläuft das Verbindungselement 3a um eine erste Seitenkante des Brückenbereichs 3a herum und entlang der dem Substrat zugewandten Oberfläche I, an welcher das Verbindungselement 5 vollflächig anliegt. Das Verbindungselement 5 erstreckt sich über die der ersten Seitenkante gegenüberliegende Seitenkante des Brückenbereichs 3a hinaus. Auf das Ende des Verbindungselements 5 kann dort ein elektrischen Anschlusskabel zur Verbindung mit der Bordelektrik aufgesteckt werden. Auch diese Ausgestaltung führt dazu, dass auftretende Zug- und Hebelkräfte an der Oberfläche I angreifen, was die Stabilität der Verbindung erhöht.
  • Aufgrund der Führung des Verbindungselements 5 um den Brückenbereich 3a herum eignet sich diese Ausgestaltung insbesondere dann, wenn das Verbindungselement 5 als flexibles Kabel ausgebildet ist. Aber auch massive Verbindungselemente 5 lassen sich entsprechend formen.
  • Fig. 5 und Fig. 6 zeigen je ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Scheibe mit einem erfindungsgemäßen Anschlusselement 3. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte ist als Ausführungsbeispiel zu verstehen und schränkt die Erfindung nicht ein. So ist es beispielsweise auch möglich, das Verbindungselement 5 erst nach dem Anordnen der Lotmasse 4 auf den Kontaktflächen K mit dem Brückenbereich 3a zu verbinden.
    • Beispiel 1
  • Eine Serie von brückenförmigen Anschlusselementen 3 wurden erfindungsgemäß mit Verbindungselementen 5 verschweißt und fixiert. Anschließend wurde eine nach oben gerichtete Zugkraft von 200N auf das Verbindungselement 5 ausgeübt. Der gleiche Test wurde mit Anschlusselementen durchgeführt, bei denen das Verbindungselement auf herkömmliche Art und Weise an der Oberseite II des Anschlusselements 1 angebracht war. Die Materialen waren in beiden Fällen entsprechend der Ausführungsbeispiele in den Figuren 1-3 gewählt.
  • Im Falle der herkömmlichen Anordnung brach in 85% der Fälle die Schweißverbindung. Durch die erfindungsgemäße Anordnung konnte der Bruch auf 0% reduziert werden.
    • Beispiel 2
  • Es wurde eine Zugprüfung an herkömmlichen Anschlusselementen und an erfindungsgemäßen Anschlusselementen 3 durchgeführt. Auf die Verbindungselemente wurde eine nach oben gerichtete Zugkraft ausgeübt, welche stetig erhöht wurde bis zum Bruch der Verbindung zwischen Anschlusselement 3 und Verbindungselement 5. Die gemessenen Werte für die maximale Zugkraft sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Messwerte a und b beziehen sich dabei auf Anschlusselemente 3 von verschiedenen Herstellern. Tabelle 1
    Ausgestaltung des Anschlusselements 3 mit Verbindungselement 5 Beobachtete Zugkräfte bei Verbindungsbruch
    Stand der Technik: a: 131N - 152N
    Verbindungselement 5 angeschweißt an Oberseite II des Brückenbereichs 3a b: 161N - 186N
    Erfindungsgemäß: a: 433 N - 448N
    Verbindungselement 5 angeschweißt an Unterseite I des Brückenbereichs 3a b: 386 N - 399N
    Erfindungsgemäß: a: 316 N - 364N
    Verbindungselement 5 angeschweißt an Oberseite II des Brückenbereichs 3a und um den Brückenbereich 3a herumgeführt, anliegend an Unterseite I b: 408 N - 462N
  • Aus den Messergebissen ist deutlich zu erkennen, dass die Erfindung zu einer Erhöhung der Belastbarkeit um einen Faktor 2-3 führt. Dies war für den Fachmann unerwartet und überraschend. Welche der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen die höhere Belastbarkeit liefert, hängt von der konkreten Ausgestaltung des Anschlusselements ab.
    • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Substrat
    (2)
    elektrisch leitfähige Struktur
    (3)
    brückenförmiges elektrisches Anschlusselement
    (3a)
    Brückenbereich von 3
    (3b)
    Lotfuß von 3
    (4)
    Lotmasse
    (5)
    Verbindungselement
    (6)
    Abdeckdruck
    (I)
    Unterseite von 3a, dem Substrat 1 zugewandt
    (II)
    Oberseite von 3a, vom Substrat 1 abgewandt
    (K)
    Kontaktfläche von 3b

Claims (14)

  1. Scheibe mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement, mindestens umfassend:
    - ein Substrat (1),
    - eine elektrisch leitfähige Struktur (2) auf einem Bereich des Substrats (1),
    - ein brückenförmiges elektrisches Anschlusselement (3), umfassend einen Brückenbereich (3a) und mindestens zwei Lötfüße (3b), welche über eine Lotmasse (4) mit einem Bereich der elektrisch leitfähigen Struktur (2) verbunden sind, und
    - ein an dem Anschlusselement (3) angebrachtes elektrisches Verbindungselement (5), wobei das Verbindungselement (5)
    - auf der dem Substrat (1) zugewandten Oberfläche (I) des Brückenbereichs (3a) angebracht ist oder
    - auf der vom Substrat (1) abgewandten Oberfläche (II) des Brückenbereichs (3a) angebracht ist und um den Brückenbereich (3a) herumgeführt ist, so dass es an der dem Substrat (1) zugewandten Oberfläche (I) des Brückenbereichs (3a) anliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Materials des Anschlusselements (3) und der Schmelztemperatur des Materials des Verbindungselements (5) größer als 200 °C beträgt, und wobei das Verbindungselement (5) mittels einer Schweißverbindung an dem Anschlusselement (3) angebracht ist.
  2. Scheibe nach Anspruch 1, wobei die Lotmasse (4) eine bleifreie Lotmasse ist.
  3. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Materials des Anschlusselements (3) und der Schmelztemperatur des Materials des Verbindungselements (5) größer als 300 °C, besonders bevorzugt größer als 400 °C beträgt.
  4. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verbindungselement (5) ein massives Metallplättchen ist.
  5. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verbindungselement (5) ein flexibles Anschlusskabel, bevorzugt ein Flachgewebeband oder ein Rundkabel, ist.
  6. Scheibe nach Anspruch 1 bis 5, wobei das Anschlusselement (3) zumindest eine eisenhaltige Legierung enthält.
  7. Scheibe nach Anspruch 6, wobei das Anschlusselement (3) zumindest einen chromhaltigen Stahl enthält und bevorzugt 66,5 Gew.-% bis 89,5 Gew.-% Eisen, 10,5 Gew.% bis 20 Gew.-% Chrom, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Kohlenstoff, 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% Mangan, 0 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% Niob und 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan enthält.
  8. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verbindungselement (5) zumindest Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung enthält.
  9. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Materialstärke des Anschlusselements (3) von 0, 1 mm bis 4 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,4 mm und 1 mm beträgt.
  10. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats (1) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anschlusselements (3) kleiner als 5 x 10-6°C ist, bevorzugt kleiner als 3 x 10-6°C.
  11. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat (1) Glas enthält, bevorzugt Kalk-Natron-Glas.
  12. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (5) zumindest Silber, bevorzugt Silberpartikel und Glastritten enthält und eine Schichtdicke von 5 µm bis 40 µm aufweist.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
    (a) das brückenförmige elektrische Anschlusselement (3) mit dem Verbindungselement (5) verbunden wird,
    (b) die Lotmasse (4) auf den Kontaktflächen (K) der Lötfüße (3b) des Anschlusselements (3) aufgebracht wird,
    (c) das Anschlusselement (3) mit der Lotmasse (4) auf einem Bereich einer elektrisch leitfähigen Struktur (2), welche auf einem Bereich eines Substrats (1) aufgebracht ist, angeordnet wird, und
    (d) das Anschlusselement (3) mit der elektrisch leitfähigen Struktur (2) unter Energieeintrag verbunden wird.
  14. Verwendung einer Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Gebäuden oder in Fortbewegungsmitteln für den Verkehr auf dem Lande, in der Luft oder zu Wasser, insbesondere in Schienenfahrzeugen oder Kraftfahrzeugen, bevorzugt als Windschutzscheibe, Heckscheibe, Seitenscheibe und/oder Dachscheibe, insbesondere als beheizbare Scheibe oder als Scheibe mit Antennenfunktion.
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