EP3576491A1 - Scheibe mit einem elektrischen anschlusselement - Google Patents

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EP3576491A1
EP3576491A1 EP19186394.3A EP19186394A EP3576491A1 EP 3576491 A1 EP3576491 A1 EP 3576491A1 EP 19186394 A EP19186394 A EP 19186394A EP 3576491 A1 EP3576491 A1 EP 3576491A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection element
electrically conductive
conductive structure
solder
weight
Prior art date
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Granted
Application number
EP19186394.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3576491B1 (de
Inventor
Christoph Degen
Bernhard Reul
Mitja Rateiczak
Andreas Schlarb
Lothar Lesmeister
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Publication of EP3576491A1 publication Critical patent/EP3576491A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3576491B1 publication Critical patent/EP3576491B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/84—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/57—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals surface mounting terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/016—Heaters using particular connecting means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49128—Assembling formed circuit to base

Definitions

  • the invention relates to a disc with an electrical connection element and an economical and environmentally friendly method for their production.
  • the invention further relates to a disc with an electrical connection element for vehicles with electrically conductive structures such as heating conductors or antenna conductors.
  • the electrically conductive structures are usually connected via soldered electrical connection elements with the on-board electrical system. Due to different thermal expansion coefficients of the materials used, mechanical stresses occur during manufacture and during operation, which can load the disks and cause the disk to break.
  • Lead-containing solders have a high ductility, which can compensate occurring mechanical stresses between the electrical connection element and the disc by plastic deformation.
  • the Directive is collectively referred to as the ELV (End of Life Vehicles).
  • the goal is to eliminate extremely problematic components from the products as a result of the massive expansion of disposable electronics.
  • the substances involved are lead, mercury and cadmium. This includes, among other things, the enforcement of lead-free solders in electrical applications on glass and the introduction of appropriate replacement products for this purpose.
  • EP 1 942 703 A2 discloses an electrical connection element to panes of vehicles, wherein the difference in the coefficients of thermal expansion of the disc and electrical connection element ⁇ 5 x 10 -6 / ° C, the connection element contains predominantly titanium and the contact surface between the connection element and electrically conductive structure is rectangular.
  • the object of the present invention is to provide a disk with an electrical connection element and an economical and environmentally friendly method for the production thereof, wherein critical mechanical stresses in the disk are avoided.
  • the midpoint angle of the segment is from 90 ° to 360 °, preferably from 140 ° to 360 °, for example from 180 ° to 330 ° or from 200 ° to 330 °.
  • the shape of the contact surface between the connection element and the electrically conductive structure preferably has at least two semi-ellipses, particularly preferably two semicircles. Most preferably, the contact surface is formed as a rectangle with two arranged on opposite sides of the semicircles. In an alternative particularly preferred embodiment of the invention, the shape of the contact surface on two circle segments with center angle of 210 ° to 360 °.
  • the shape of the contact surface can also comprise, for example, two segments of an oval, an ellipse or a circle, the center angle being from 180 ° to 350 °, preferably from 210 ° to 310 °.
  • the solder joints form two separate contact surfaces between the connection element and the electrically conductive structure.
  • Each contact surface is arranged on the surface facing the substrate of one of two foot regions of the connection element. The foot areas are connected by a bridge. The two contact surfaces are over the substrate connected face of the bridge connected.
  • the shape of each of the two contact surfaces has at least one segment of an oval, an ellipse or a circle with a center angle of 90 ° to 360 °, preferably from 140 ° to 360 °.
  • Each contact surface may have an oval, preferably an elliptical structure. Particularly preferably, each contact surface is formed as a circle.
  • each contact surface is preferably formed as a circular segment with a center angle of at least 180 °, particularly preferably at least 200 °, very particularly preferably at least 220 °, and in particular at least 230 °.
  • the circular segment may for example have a midpoint angle of 180 ° to 350 °, preferably from 200 ° to 330 °, particularly preferably from 210 ° to 310 °.
  • each contact surface is configured as a rectangle with two half-oval, preferably semi-ellipses, particularly preferably semi-circles arranged on opposite sides.
  • the electrical connection element is electrically connected to a solder mass on portions with the electrically conductive structure.
  • connection element is connected to the electrically conductive structure by soldering, for example resistance soldering, via the contact surface or the contact surfaces.
  • soldering for example resistance soldering
  • two solder electrodes are used, each solder electrode being brought into contact with a solder joint of the terminal.
  • a current flows from a soldering electrode via the connecting element to the second soldering electrode.
  • the contact between the soldering electrode and the connecting element preferably takes place over as small an area as possible.
  • the solder electrodes are designed as tips.
  • the small contact surface causes a high current density in the region of the contact between soldering electrode and connecting element. The high current density leads to a heating of the contact area between the soldering electrode and the connection element.
  • connection element is preferably connected to the electrically conductive structure via a rectangular contact surface.
  • a rectangular contact surface temperature differences occur during the soldering process due to the heat distribution propagating from the solder joints.
  • regions of the contact surface may exist in which the soldering material is not completely melted. These areas lead to poor adhesion of the connection element and to mechanical stresses in the pane.
  • the advantage of the invention lies in the shape of the contact surface or the contact surfaces between the connection element and the electrically conductive structure.
  • the shape of the contact surfaces is rounded at least in a predominant region of the edges and preferably has circles or circle segments.
  • the shape of the contact surfaces approximates the shape of the heat distribution around the solder joints during the soldering process. Therefore, no or only slight temperature differences occur along the edges of the contact surfaces during the soldering process. This leads to a uniform melting of the solder mass in the entire region of the contact surfaces between the connection element and the electrically conductive structure.
  • This is particularly advantageous with regard to the adhesion of the connection element, the shortening of the duration of the soldering process and the avoidance of mechanical stresses in the pane.
  • a lead-free solder mass which can compensate less well due to their lower ductility compared to lead-containing solder masses mechanical stresses, there is a particular advantage.
  • connection elements are in the plan view, for example, preferably 1 mm to 50 mm long and wide and more preferably 2 mm to 30 mm long and wide and most preferably 2 mm to 8 mm wide and 10 mm to 24 mm long.
  • two contact surfaces interconnected by a bridge are preferably 1 mm to 15 mm long and wide, and more preferably 2 mm to 8 mm long and wide.
  • the solder mass emerges with an exit width of ⁇ 1 mm from the gap between the connection element and the electrically conductive structure.
  • the maximum exit width is preferably less than 0.5 mm and in particular about 0 mm. This is particularly advantageous in terms of reducing mechanical stresses in the disc, the adhesion of the terminal element and the saving of the solder.
  • the maximum exit width is defined as the distance between the outer edges of the connection element and the point of Lotmasseübertritts, at which the solder mass falls below a layer thickness of 50 microns. The maximum exit width is measured after the soldering process on the solidified solder mass.
  • a desired maximum exit width is achieved by a suitable choice of Lotmassenvolumen and perpendicular distance between the connection element and electrically conductive structure, which can be determined by simple experiments.
  • the vertical distance between the connection element and the electrically conductive structure can be predetermined by a corresponding process tool, for example a tool with an integrated spacer.
  • the maximum exit width may also be negative, that is to say retracted into the intermediate space formed by the electrical connection element and the electrically conductive structure.
  • the maximum exit width in the intermediate space formed by the electrical connection element and the electrically conductive structure is withdrawn in a concave meniscus.
  • a concave meniscus is created by increasing the perpendicular distance between the spacer and conductive structure during the soldering process while the solder is still liquid.
  • the bridge between two foot areas of the connecting element according to the invention is preferably shaped in sections plan.
  • the bridge consists of three planar sections.
  • Plan means that the bottom of the connection element forms a plane.
  • the angle between the surface of the substrate and the underside of each directly to a foot region adjacent planar portion of the bridge is preferably ⁇ 90 °, more preferably between 1 ° and 85 °, most preferably between 2 ° and 75 ° and in particular between 3 ° and 60 °.
  • the bridge is shaped such that each planar section adjoining a foot region is inclined in the direction away from the immediately adjacent foot region.
  • the advantage lies in the effect of the capillary effect between the electrically conductive structure and the sections of the bridge adjacent to the contact surfaces.
  • the capillary effect is a consequence of the small distance between the electrically conductive structure and the sections of the bridge adjacent to the contact surfaces. The small distance results from the angle ⁇ 90 ° between the surface of the substrate and the bottom of each directly to a foot area adjacent planar portion of the bridge.
  • the desired distance between the connection element and the electrically conductive structure is set after the melting of the solder mass. Excess solder mass is controlled by the capillary effect in the sucked by the bridge and the electrically conductive structure volume. Characterized the Lotmasseübertritt is reduced at the outer edges of the connecting element and thus the maximum exit width. Thus, a reduction of the mechanical stresses in the disc is achieved.
  • edges of the contact surfaces to which the bridge is connected are not outer edges of the connection element.
  • the cavity defined by the electrically conductive structure and the bridge may be completely filled with solder.
  • the cavity is not completely filled with solder mass.
  • the bridge is curved.
  • the bridge can have a single direction of curvature.
  • the bridge preferably has the profile of an oval arc, particularly preferably the profile of an elliptical arc and very particularly preferably the profile of a circular arc.
  • the radius of curvature of the circular arc is for example preferably from 5 mm to 15 mm with a length of the connecting element of 24 mm.
  • the direction of curvature of the bridge can also change.
  • the bridge can also consist of at least two sub-elements, which are in direct contact with each other.
  • the projection of the bridge into the plane of the substrate surface may also be curved.
  • the direction of curvature changes in the bridge center.
  • the bridge does not have to have a constant width.
  • each of the two solder joints is arranged on a contact survey.
  • the contact elevations are arranged on the surface of the connection element facing away from the substrate.
  • the contact surveys contain preferably the same alloy as the connection element.
  • Each contact elevation is preferably formed convexly curved at least in the area facing away from the surface of the substrate.
  • Each contact elevation is formed, for example, as a segment of an ellipsoid of revolution or as a spherical segment.
  • the contact elevation can be formed as a cuboid, wherein the surface facing away from the substrate is convexly curved.
  • the contact elevations preferably have a height of 0.1 mm to 2 mm, particularly preferably of 0.2 mm to 1 mm.
  • the length and width of the contact elevations is preferably between 0.1 and 5 mm, very particularly preferably between 0.4 mm and 3 mm.
  • the contact elevations can be designed as embossments.
  • the contact elevations can be formed integrally with the connection element in an advantageous embodiment.
  • the contact elevations can be formed, for example, by forming a connecting element with a flat surface in the initial state on the surface, for example by embossing or deep drawing. In this case, a corresponding depression can be produced on the contact elevation opposite surface of the connection element.
  • the contact side is formed flat.
  • the electrode surface is brought into contact with the contact elevation.
  • the electrode surface is arranged parallel to the surface of the substrate.
  • the point on the convex surface of the contact elevation having the greatest perpendicular distance to the surface of the substrate is disposed between the electrode surface and the surface of the substrate.
  • the contact area between the electrode surface and contact elevation forms the solder joint.
  • the position of the solder joint is preferably determined by the point on the convex surface of the contact elevation, which has the greatest vertical distance from the surface of the substrate.
  • the position of the solder joint is independent of the position of the soldering electrode on the connecting element. This is particularly advantageous in terms of a reproducible, even heat distribution during the soldering process.
  • the heat distribution during the soldering process is determined by the position, the size, the arrangement and the geometry of the contact elevation.
  • At least two spacers are arranged on each of the contact surfaces of the connecting element.
  • the spacers preferably contain the same alloy as the connection element.
  • Each spacer is formed for example as a cube, as a pyramid, as a segment of an ellipsoid of revolution or as a spherical segment.
  • 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 of 1x 10 -4 m to 3 x 10 -4 m.
  • the spacers may be formed integrally with the connection element.
  • the spacers can be formed, for example, by forming a connecting element with flat initial contact surfaces on the contact surface, for example by embossing or deep drawing. In this case, a corresponding depression can be produced on the surface of the connection element which is opposite the contact surface.
  • solder mass Through the contact elevations and the spacers a homogeneous, uniformly thick and uniformly melted layer of the solder mass is achieved. As a result, mechanical stresses between the connection element and the disc can be reduced. This is particularly advantageous in the use of lead-free solder masses, which can compensate less well for mechanical stresses due to their lower ductility compared to lead-containing solder masses.
  • the substrate preferably contains glass, particularly preferably flat glass, float glass, quartz glass, borosilicate glass, soda-lime glass.
  • the substrate contains polymers, particularly preferably polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polymethyl methacrylate and / or mixtures thereof.
  • the substrate has a first thermal expansion coefficient.
  • the connection element has a second thermal expansion coefficient.
  • the first thermal expansion coefficient is preferably from 8 ⁇ 10 -6 / ° C to 9 ⁇ 10 -6 / ° C.
  • the substrate preferably contains glass, which preferably has a thermal expansion coefficient of 8.3 ⁇ 10 -6 / ° C. to 9 ⁇ 10 -6 / ° C. in a temperature range from 0 ° C. to 300 ° C.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least one iron-nickel alloy, an iron-nickel-cobalt alloy or an iron-chromium alloy.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 50 wt .-% to 89.5 wt .-% iron, 0 wt .-% to 50 wt .-% nickel, 0 wt .-% to 20 wt .-% chromium, 0 wt.
  • the second coefficient of thermal expansion is preferably from 0.1 ⁇ 10 -6 / ° C. to 4 ⁇ 10 -6 / ° C., particularly preferably from 0.3 ⁇ 10 -6 / ° C. to 3 ⁇ 10 -6 / ° C. in a temperature range from 0 ° C to 300 ° C.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 50% by weight to 75% by weight of iron, 25% by weight to 50% by weight of nickel, 0% by weight to 20% by weight of cobalt, 0% by weight. up to 1.5% by weight of magnesium, 0% by weight to 1% by weight of silicon, 0% by weight to 1% by weight of carbon and / or 0% by weight to 1% by weight of manganese ,
  • the connecting element according to the invention preferably contains chromium, niobium, aluminum, vanadium, tungsten and titanium in a proportion of 0 wt .-% to 1 wt .-%, molybdenum in a proportion of 0 wt .-% to 5 wt .-% and production-related additions.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 55% by weight to 70% by weight of iron, 30% by weight to 45% by weight of nickel, 0% by weight to 5% by weight of cobalt, 0% by weight. up to 1% by weight of magnesium, 0% by weight to 1% by weight of silicon and / or 0% by weight to 1% by weight of carbon.
  • connection element according to the invention preferably contains Invar (FeNi).
  • Invar is an iron-nickel alloy containing, for example, 36% by weight nickel (FeNi36). It is a group of alloys and compounds which have the property of having abnormally small or sometimes negative coefficients of thermal expansion in certain temperature ranges. Fe65Ni35 Invar contains 65% by weight iron and 35% by weight nickel. Up to 1% by weight of magnesium, silicon and carbon are usually alloyed to alter the mechanical properties. By alloying 5 wt .-% cobalt, the thermal expansion coefficient can be further reduced. One designation for the alloy is Inovco, FeNi33Co4.5 with an expansion coefficient (20 ° C to 100 ° C) of 0.55 x 10 -6 / ° C.
  • the difference between the first and the second coefficient of expansion is ⁇ 5 ⁇ 10 -6 / ° C.
  • the small difference between the first and second coefficients of thermal expansion avoids critical stresses in the disk and provides better adhesion.
  • the second coefficient of thermal expansion is preferably from 4 ⁇ 10 -6 / ° C. to 8 ⁇ 10 -6 / ° C., more preferably from 4 ⁇ 10 -6 / ° C. to 6 ⁇ 10 -6 / ° C. in a temperature range from 0 ° C to 300 ° C.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 50% by weight to 60% by weight of iron, 25% by weight to 35% by weight of nickel, 15% by weight to 20% by weight of cobalt, 0% by weight. to 0.5 wt .-% silicon, 0 wt .-% to 0.1 wt .-% carbon and / or 0 wt .-% to 0.5 wt .-% manganese.
  • the connecting element according to the invention preferably contains Kovar (FeCoNi).
  • Kovar is an iron-nickel-cobalt alloy that has thermal expansion coefficients of usually about 5 x 10 -6 / ° C. The thermal expansion coefficient is thus lower than the coefficient of typical metals.
  • the composition contains, for example, 54% by weight of iron, 29% by weight of nickel and 17% by weight of cobalt.
  • Kovar is therefore used as a housing material or as a submount. Submounts lie on the sandwich principle between the actual carrier material and the material with usually much larger expansion coefficient.
  • Kovar thus serves as a compensating element, which absorbs and reduces the caused by the different thermal expansion coefficients of the other materials thermo-mechanical stresses.
  • Kovar uses metal-to-glass penetrations of electronic components and material junctions in vacuum chambers.
  • the connecting element according to the invention preferably contains thermally treated iron-nickel and / or iron-nickel-cobalt alloys by annealing.
  • the difference between the first and the second expansion coefficient is also ⁇ 5 x 10 -6 / ° C.
  • the second thermal expansion coefficient is preferably from 9 ⁇ 10 -6 / ° C. to 13 ⁇ 10 -6 / ° C., particularly preferably from 10 ⁇ 10 -6 / ° C. to 11.5 ⁇ 10 -6 / ° C. in one Temperature range from 0 ° C to 300 ° C.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 50% by weight to 89.5% by weight of iron, 10.5% by weight to 20% by weight of chromium, 0% by weight to 1% by weight of carbon, 0 Wt .-% to 5 wt .-% nickel, 0 wt .-% to 2 wt .-% manganese, 0 wt .-% to 2.5 wt .-% molybdenum and / or 0 wt .-% to 1 wt .-% titanium.
  • the connection element may additionally contain admixtures of other elements, including vanadium, aluminum, niobium and nitrogen.
  • the connecting element according to the invention may also comprise at least 66.5% by weight to 89.5% by weight of iron, 10.5% by weight to 20% by weight of chromium, 0% by weight to 1% by weight of carbon , 0 wt .-% to 5 wt .-% nickel, 0 wt .-% to 2 wt .-% manganese, 0 wt .-% to 2.5 wt .-% molybdenum, 0 wt .-% to 2 wt .-% niobium and / or 0 wt .-% to 1 wt .-% titanium.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 65% by weight to 89.5% by weight of iron, 10.5% by weight to 20% by weight of chromium, 0% by weight to 0.5% by weight of carbon , 0 wt .-% to 2.5 wt .-% nickel, 0 wt .-% to 1 wt .-% manganese, 0 wt .-% to 1 wt .-% molybdenum and / or 0 wt .-% bis 1% by weight of titanium.
  • the connecting element according to the invention may also comprise at least 73% by weight to 89.5% by weight of iron, 10.5% by weight to 20% by weight of chromium, 0% by weight to 0.5% by weight of carbon , 0 wt .-% to 2.5 wt .-% nickel, 0 wt .-% to 1 wt .-% manganese, 0 wt .-% to 1 wt .-% molybdenum, 0 wt .-% to 1 wt .-% niobium and / or 0 wt .-% to 1 wt .-% titanium.
  • the connecting element according to the invention preferably contains at least 75% by weight to 84% by weight of iron, 16% by weight to 18.5% by weight of chromium, 0% by weight to 0.1% by weight of carbon, 0 Wt .-% to 1 wt .-% manganese and / or 0 wt .-% to 1 wt .-% of titanium.
  • the connecting element according to the invention may also contain at least 78.5% by weight to 84% by weight of iron, 16% by weight to 18.5% by weight of chromium, 0% by weight to 0.1% by weight of carbon , 0 wt .-% to 1 wt .-% manganese, 0 wt .-% to 1 wt .-% of niobium and / or 0 wt .-% to 1 wt .-% titanium.
  • the connecting element according to the invention preferably contains a chromium-containing steel with a chromium content of greater than or equal to 10.5% by weight and a thermal expansion coefficient of 9 ⁇ 10 -6 / ° C. to 13 ⁇ 10 -6 / ° C.
  • Other alloying constituents such as molybdenum, manganese or niobium lead to improved corrosion resistance or altered mechanical properties, such as tensile strength or cold workability.
  • connection elements made of chromium-containing steel compared to connection elements according to the prior art made of titanium lies in the better solderability. It results from the higher thermal conductivity of 25 W / mK to 30 W / mK compared to the thermal conductivity of titanium of 22 W / mK.
  • the higher thermal conductivity leads to a more uniform heating of the connection element during the soldering process, whereby the punctiform formation of hot spots ("hot spots”) is avoided. These points are starting points for later damage to the disc. This results in an improved adhesion of the connection element to the disc.
  • Chromium-containing steel is also easy to weld.
  • connection element to the on-board electrical system via an electrically conductive material, for example copper, by welding is possible. Due to the better cold workability, the connection element can also be better crimped with the electrically conductive material. Chromium-containing steel is also better available.
  • the electrically conductive structure according to the invention preferably has a layer thickness of 5 .mu.m to 40 .mu.m, particularly preferably from 5 .mu.m to 20 .mu.m, very particularly preferably from 8 .mu.m to 15 .mu.m and in particular from 10 .mu.m to 12 .mu.m.
  • the electrically conductive structure according to the invention preferably contains silver, particularly preferably silver particles and glass frits.
  • the layer thickness of the solder according to the invention is preferably ⁇ 3.0 ⁇ 10 -4 m.
  • the solder mass is preferably lead-free, so contains no lead. This is particularly advantageous with regard to the environmental compatibility of the disc with electrical connection element according to the invention. Lead-free solder masses typically have a lower ductility than lead-containing solder masses, so that mechanical stresses between the connection element and the pane can be compensated less well. However, it has been shown that critical mechanical stresses are significantly reduced by the connection element according to the invention.
  • the solder mass according to the invention preferably contains tin and Bismuth, indium, zinc, copper, silver or combinations thereof.
  • the proportion of tin in the solder composition according to the invention is from 3 wt .-% to 99.5 wt .-%, preferably from 10 wt .-% to 95.5 wt .-%, particularly preferably from 15 wt .-% to 60 wt .-%.
  • the proportion of bismuth, indium, zinc, copper, silver or compositions thereof in the solder composition according to the invention from 0.5 wt .-% to 97 wt .-%, preferably 10 wt .-% to 67 wt .-%, wherein the May be amount of bismuth, indium, zinc, copper or silver 0 wt .-%.
  • the solder composition according to the invention may contain nickel, germanium, aluminum or phosphorus in a proportion of 0 wt .-% to 5 wt .-%.
  • the solder composition according to the invention most preferably contains Bi40Sn57Ag3, Sn40Bi57Ag3, Bi59Sn40Ag1, Bi57Sn42Ag1, In97Ag3, Sn95.5Ag3.8Cu0.7, Bi67ln33, Bi33ln50Sn17, Sn77.2ln20Ag2.8, Sn95Ag4Cu1, Sn99Cu1, Sn96.5Ag3.5 or mixtures thereof.
  • the connecting element according to the invention is preferably coated with nickel, tin, copper and / or silver.
  • the connection element according to the invention is particularly preferably provided with an adhesion-promoting layer, preferably of nickel and / or copper, and additionally with a solderable layer, preferably of silver.
  • the connection element according to the invention is very particularly preferably coated with 0.1 ⁇ m to 0.3 ⁇ m nickel and / or 3 ⁇ m to 20 ⁇ m silver.
  • the connection element can be nickel-plated, tin-plated, copper-plated and / or silver-plated. Nickel and silver improve the ampacity and corrosion stability of the terminal and wetting with the solder mass.
  • the iron-nickel alloy, the iron-nickel-cobalt alloy or the iron-chromium alloy can also be welded, crimped or glued as a compensation plate on a connection element made of, for example, steel, aluminum, titanium, copper.
  • a connection element made of, for example, steel, aluminum, titanium, copper.
  • the balance plate is preferably hat-shaped.
  • the electrical connection element contains, on the surface aligned with the solder mass, a coating which contains copper, zinc, tin, silver, gold or alloys or layers thereof, preferably silver. This prevents spreading of the solder mass over the coating and limits the exit width.
  • the shape of the electrical connection element can form solder deposits in the intermediate space of connection element and electrically conductive structure.
  • the solder deposits and wetting properties of the solder on the connection element prevent the exit of the Lot mass from the gap.
  • Lotdepots can be rectangular, rounded or polygonal configured.
  • connection element The distribution of the solder heat and thus the distribution of the solder mass in the soldering process can be defined by the shape of the connection element. Lot mass flows to the warmest point.
  • connection element may have a single or double hat shape in order to advantageously distribute the heat during the soldering process in the connection element.
  • the introduction of the energy in the electrical connection of electrical connection element and electrically conductive structure is preferably carried out with stamp, thermodes, bulb soldering, preferably laser soldering, hot air soldering, induction soldering, resistance soldering and / or with ultrasound.
  • connection elements preferably as platelets with a defined layer thickness, volume, shape and arrangement on the connection element.
  • the connecting element can be welded or crimped, for example, with a sheet metal, a stranded wire or a braid of, for example, copper and connected to the on-board electrical system.
  • connection element is preferably used in heating disks or in panes with antennas in buildings, in particular in automobiles, railways, aircraft or maritime vehicles.
  • the connecting element serves to connect the conductive structures of the disc with electrical systems which are arranged outside the disc.
  • the electrical systems are amplifiers, control units or power sources.
  • Fig.1 . Fig. 2a . Fig. 2b and Fig. 2c each show a detail of a heated disc 1 according to the invention in the region of the electrical connection element 3.
  • the disc 1 is a 3 mm thick thermally toughened single-pane safety glass made of soda lime glass.
  • the disc 1 has a width of 150 cm and a height of 80 cm.
  • An electrically conductive structure 2 in the form of a heat conductor structure 2 is printed on the pane 1.
  • the electrically conductive structure 2 contains silver particles and glass frits.
  • the electrically conductive structure 2 is widened to a width of 10 mm and forms a contact surface for the electrical connection element 3.
  • In the edge region of the disk 1 is still a cover screen printing, not shown.
  • the Connection element 3 consists of two foot areas 7 and 7 ', which are connected to each other via the bridge 9. Two contact surfaces 8 'and 8 "are arranged on the surfaces of the foot regions 7 and 7' facing towards the substrate. In the region of the contact surfaces 8 'and 8", the solder compound 4 effects a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the electrically conductive structure 2.
  • the solder mass 4 contains 57 wt .-% bismuth, 40 wt .-% tin and 3 wt .-% silver.
  • the solder mass 4 is completely arranged between the electrical connection element 3 and the electrically conductive structure 2 by a predetermined volume and shape.
  • the solder mass 4 has a thickness of 250 microns.
  • the electrical connection element 3 consists of steel of the material number 1.4509 according to EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509) with a thermal expansion coefficient of 10.0 ⁇ 10 -6 / ° C.
  • Each of the contact surfaces 8 'and 8 "has the shape of a circle segment with a radius of 3 mm and a center angle ⁇ of 276 °
  • the bridge 9 consists of three plane sections 10, 11 and 12. The surface of each of the two sections facing the substrate 10 and 12 form an angle of 40 ° with the surface of the substrate 1.
  • the portion 11 is arranged parallel to the surface of the substrate 1.
  • the electrical connection element 3 has a length of 24 mm
  • the two foot portions 7 and 7 ' have a width of 6 mm
  • the bridge 9 has a width of 4 mm.
  • a contact elevation 14 is arranged at each of the surfaces facing away from the substrate 13 and 13 'of the foot areas 7 and 7'.
  • the contact elevations 14 are formed as hemispheres and have a height of 2.5 ⁇ 10 -4 m and a width of 5 ⁇ 10 -4 m.
  • the center points of the contact elevations 14 are arranged perpendicular to the surface of the substrate above the circle centers of the contact surfaces 8 'and 8 "The solder joints 15 and 15' are arranged at the points on the convex surface of the contact elevations 14 which are the greatest perpendicular distance to the surface of the contact elevations Substrate have.
  • the spacers 19 are arranged on each of the contact surfaces 8 'and 8 "The spacers 19 are formed as hemispheres and have a height of 2.5 ⁇ 10 -4 m and a width of 5 ⁇ 10 -4 m.
  • Steel with the material number 1.4509 according to EN 10 088-2 is good cold forming and easy to weld with all processes except gas welding.
  • the steel is used for the construction of silencer and exhaust gas decontamination plants and is particularly suitable for this purpose due to the scale resistance up to more than 950 ° C and corrosion resistance against the stresses occurring in the exhaust system.
  • Fig. 1a schematically shows a simplified representation of the heat distribution around the solder joints 15 and 15 'during the soldering process.
  • the circular lines are isotherms.
  • the shape of the contact surfaces 8 'and 8 "of the connection element 3 from Fig. 1 the heat distribution is adjusted. As a result, the solder mass 4 is uniformly and completely melted in the area of the contact surfaces 8 'and 8 ".
  • Fig. 3 shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2c an alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the electrical connection element 3 is provided on the surface oriented toward the solder mass 4 with a silver-containing coating 5.
  • a spread of the solder mass over the coating 5 is prevented and the exit width b is limited.
  • an adhesion-promoting layer for example of nickel and / or copper, can be present between connection element 3 and silver-containing layer 5.
  • the exit width b of the solder mass 4 is below 1 mm. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses in the disk 1 are observed.
  • the connection of the disc 1 to the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 4 shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2c a further alternative embodiment of the connecting element according to the invention 3.
  • the electrical connection element 3 includes on the surface facing the solder mass 4 a recess with a depth of 250 microns, which forms a solder depot for the solder mass 4. An exit of the solder mass 4 from the gap can be completely prevented.
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and it is provided a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 5 shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2c a further alternative embodiment of the connecting element according to the invention 3.
  • the foot portions 7 and 7 'of the electrical connection element 3 are bent at the edge regions.
  • the height of the bend of the edge regions of the glass sheet 1 is a maximum of 400 microns.
  • a space for the solder mass 4 is formed.
  • the predetermined solder mass 4 forms a concave meniscus between the electrical connection element 3 and the electrically conductive structure 2.
  • An escape of solder mass 4 from the gap can be completely prevented.
  • the exit width b is approximately 0, largely due to the meniscus below zero.
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and it is provided a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 6 shows a further alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention with contact surfaces 8 'and 8 "in the form of circular segments and partially flat-shaped bridge 9.
  • the connection element 3 contains an iron-containing alloy having a thermal expansion coefficient of 8 x 10 -6 / ° C. Die Materialdicke 2 mm ..
  • hat-shaped compensating bodies 6 with chromium-containing steel of the material number 1.4509 according to EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509) are applied.
  • the maximum layer thickness of the hat-shaped compensating body 6 is 4 mm.
  • the thermal expansion coefficients of the connection element 3 can be adapted to the requirements of the disc 1 and the solder mass 4.
  • the hat-shaped compensating bodies 6 lead to an improved heat flow during the production of the soldered connection 4.
  • the heating takes place above all in the center of the contact surfaces 8 'and 8 ", and the outlet width b of the soldering mass 4 can be further reduced because of the small outlet width b of ⁇ 1 mm and the adjusted coefficient of expansion, the thermal stresses in the disc 1 can be reduced further
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and a permanent electrical and mechanical connection between the terminal element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2 is provided ,
  • Fig. 7 shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2a an alternative embodiment of the connecting element according to the invention 3.
  • the bridge 9 is curved and has the profile of a circular arc with a radius of curvature of 12 mm.
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and it is provided a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 8 shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2a a further alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the bridge 9 is curved and changes its direction of curvature twice. Adjacent to the foot regions 7 and 7 ', the direction of curvature away from the substrate 1. As a result, there are at the connections 16 and 16 'between the contact surfaces 8' and 8 "and the bottom of the Bridge 9 no edges.
  • the underside of the connection element 3 has a continuous course.
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and it is provided a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 8a shows in continuation of the embodiment of FIGS. 1 and 2a a further alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the bridge 9 consists of two planar sections 22 and 23.
  • the surface of each of the two sections 22 and 23 facing the substrate encloses an angle of 20 ° with the surface of the substrate 1.
  • the walls facing the substrate surfaces of the two sections 22 and 23 form an angle of 140 ° with each other.
  • the thermal stresses in the disc 1 are not critical and it is provided a permanent electrical and mechanical connection between the connection element 3 and the disc 1 via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 9 and Fig. 9a each show a detail of another embodiment of the pane 1 according to the invention in the region of the electrical connection element 3.
  • the connection element 3 contains steel of the material number 1.4509 according to EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509).
  • the foot areas 7 and 7 ' are connected to each other via the bridge 9.
  • the bridge 9 consists of three plan-shaped sections 10, 11 and 12.
  • Each of the contact surfaces 8 'and 8 is formed as a rectangle with semicircles arranged on opposite sides
  • the connection element 3 has a length of 24 mm of 4 mm.
  • the contact surfaces 8 'and 8 are 4 mm long and 8 mm wide.
  • a contact elevation 14 is arranged at each of the side facing away from the substrate 1 surfaces 13 and 13 'of the foot areas 7 and 7'.
  • Each contact elevation 14 is formed as a cuboid with a length of 3 mm and a width of 1 mm, wherein the surfaces facing away from the substrate 1 are formed convexly curved.
  • the height of the contact elevations is 0.6 mm.
  • the solder joints 15 and 15 ' are arranged at the points on the convex surface of the contact elevations 14, which have the greatest perpendicular distance to the surface of the substrate.
  • Arranged on each of the contact surfaces 8 'and 8 “are two spacers 19, which are formed as hemispheres with a radius of 2.5 ⁇ 10 -4 M. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses are observed in the disk 1 Connection of the disc 1 with the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 10 shows a plan view of an alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the foot areas 7 and 7 ' are connected to each other via the bridge 9.
  • the contact surfaces 8 and 8 ' are formed as circular segments with a radius of 2.5 mm and a center angle ⁇ of 280 °.
  • the bridge 9 is curved.
  • the width of the bridge becomes smaller starting from the connections 16 and 16 'to the contact surfaces 8 and 8' in the direction of the bridge center.
  • the minimum width of the bridge is 3 mm. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses in the disk 1 are observed.
  • the connection of the disc 1 to the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • connection element 3 with the contour FIG. 10 not designed like a bridge.
  • the connection element 3 is connected over a contact surface 8 over its entire surface with the electrically conductive structure.
  • Fig. 11 and Fig. 11a each show a detail of a further alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the two foot regions 7 and 7 ' are connected to one another via the bridge 9.
  • Each contact surface 8 'and 8 is formed as a circle segment with a radius of 2.5 mm and a center angle ⁇ of 286 ° .
  • the bridge 9 consists of two subelements The subelements each have a curved subregion 17 and 17' and a planar subregion
  • the bridge 9 is connected to the foot region 7 by the partial region 17 and to the foot region 7 'by the partial region 17'
  • the contact protrusions 14 are as hemispheres with a radius of 5 x 10 -4 m formed the spacers 19 are as hemispheres with a radius of 2.5 x 10 - 4 m is formed.
  • the connection element 3 has a length of 10 mm.
  • the bridge 9 has a width of 3 mm.
  • the height of the bridge 9 of the Ob er Chemistry of the substrate 1 is 3 mm.
  • the height of the bridge 9 may preferably be between 1 mm and 5 mm. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses in the disk 1 are observed.
  • the connection of the disc 1 to the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 12 shows a plan view of a further alternative embodiment of the connecting element according to the invention 3.
  • the two connections 16 and 16' between the foot regions 7 and 7 'and the bridge 9 are completely on different sides of the direct connecting line between the circle centers of the Contact surfaces 8 'and 8 "arranged.
  • the projection of the bridge into the plane of the substrate surface is curved.
  • the direction of curvature changes in the middle of the bridge. In the middle of the bridge 9, two opposite bulges are arranged laterally in the form of circular segments with radii of 2 mm.
  • the radii of the bulges may preferably be between 1 mm and 3 mm.
  • the bulges may for example also have a rectangular shape with a preferred length and width of 1 mm to 6 mm.
  • an electrically conductive material for connection to the on-board electrical system can be attached, for example by welding or crimping. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses in the disk 1 are observed.
  • the connection of the disc 1 to the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 13 and Fig. 13a each show a detail of a further alternative embodiment of the connecting element 3 according to the invention.
  • the connecting element 3 is connected over the entire surface of the electrically conductive structure 2 via a contact surface 8.
  • the contact surface 8 is formed as a rectangle with arranged on opposite sides of the semicircles.
  • the contact surface has a length of 14 mm and a width of 5 mm.
  • the connection element 3 is bent around in the edge region 20.
  • the height of the edge region 20 of the glass sheet 1 is 2.5 mm.
  • the height of the edge region 20 can preferably be between 1 mm and 3 mm in alternative embodiments of the invention.
  • an extension element 21 is arranged on one of the two straight sides of the connecting element 3.
  • the extension element 21 consists of a curved portion and a planar portion.
  • the extension element 21 is connected by the curved portion with the edge region 20 of the connection element 3 and the direction of curvature facing the opposite side of the connection element 3.
  • the extension member 21 has a length of 11 mm and a width of 6 mm in plan view.
  • the extension element 21 may preferably have a length between 5 mm and 20 mm, more preferably between 7 mm and 15 mm and a width of 2 mm to 10 mm, particularly preferably from 4 mm to 8 mm.
  • To the extension element 21 may, for example, an electrically conductive material for connection to the on-board electrical system be attached, for example, by welding, crimping or in the form of a connector. Due to the arrangement of the solder mass 4, no critical mechanical stresses in the disk 1 are observed.
  • the connection of the disc 1 to the electrical connection element 3 is permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • Fig. 14 shows in detail an inventive method for producing a disc 1 with electrical connection element 3.
  • an example of the inventive method for producing a disc with an electrical connection element 3 is shown.
  • As a first step it is necessary to portion the solder mass 4 according to shape and volume.
  • the portioned solder mass 4 is arranged on the contact surface 8 or the contact surfaces 8 'and 8 "of the electrical connection element 3.
  • the electrical connection element 3 is arranged with the solder mass 4 on the electrically conductive structure 2.
  • a permanent connection of the electrical connection element 3 takes place the electrically conductive structure 2 and thereby with the disc 1 with energy input to the solder joints 15 and 15 '.
  • Test samples were made with the disc 1 (thickness 3 mm, width 150 cm and height 80 cm), the electrically conductive structure 2 in the form of a heat conductor structure, the electrical connection element 3 according to the FIG. 1 , the silver layer 5 on the contact surfaces 8 'and 8 "of the connection element 3 and the soldering compound 4.
  • the material thickness of the connection element 3 was 0.8 mm
  • the connection element 3 contained steel of the material number 1.4509 according to EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta ® 4509) On each of the contact surfaces 8 'and 8 "three spacers 19 were arranged. Each solder joint 15 and 15 'was arranged on a contact elevation 14.
  • the solder mass 4 was previously applied as platelets with a defined layer thickness, volume and shape on the contact surfaces 8 'and 8 "of the connection element 3.
  • the connection element 3 was attached to the applied solder mass 4 on the electrically conductive structure 2.
  • the connection element 3 was used in a Temperature of 200 ° C and a treatment time of 2 seconds soldered on the electrically conductive structure 2.
  • Table 1 Due to the arrangement of the solder mass 4, predefined by the connection element 3 and the electrically conductive structure 2, no critical mechanical stresses were observed in the pane 1.
  • the connection of the disc 1 with the electrical connection element 3 was permanently stable via the electrically conductive structure 2.
  • test samples were performed with a second composition of the electrical connection element 3.
  • the connecting element 3 contained an iron-nickel-cobalt alloy.
  • test samples having a third composition of the electrical connection element 3 were performed.
  • the connecting element 3 contained an iron-nickel alloy.
  • the dimensions and compositions of the electrical connection element 3, the silver layer 5 on the contact surfaces 8 'and 8 "of the connection element 3 and the solder mass 4 are shown in Table 3.
  • the comparative example was carried out in the same way as the example.
  • the difference was in the shape of the connection element.
  • This was connected to the prior art via a rectangular contact surface with the electrically conductive structure.
  • the shape of the contact surface was not adapted to the profile of heat distribution. No spacers were placed on the contact surface.
  • the solder joints 15 and 15 ' were not arranged on contact elevations.
  • the dimensions and components of the electrical connection element 3, the metal layer on the contact surface of the connection element 3 and the solder mass 4 are shown in Table 4.
  • panes according to the invention with glass substrates 1 and electrical connection elements 3 according to the invention have a better stability against sudden temperature differences.

Landscapes

  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Joining Of Glass To Other Materials (AREA)
  • Combinations Of Printed Boards (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibe, umfassend:
- ein Substrat (1),
- eine elektrisch leitfähige Struktur (2) auf einem Bereich des Substrats (1),
- eine Schicht einer Lotmasse (4) auf einem Bereich der elektrisch leitfähigen Struktur (2),
- mindestens ein elektrisches Anschlusselement (3), das einen chromhaltigen Stahl mit einem Anteil an Chrom von größer oder gleich 10,5 Gew.-% enthält,
- mindestens zwei Lötstellen (15,15') des Anschlusselements (3) auf der Lotmasse (4), wobei
- die Lötstellen (15,15') mindestens eine Kontaktfläche (8) zwischen dem Anschlusselement (3) und der elektrisch leitfähigen Struktur (2) ausbilden und
- die Form der Kontaktfläche (8) mindestens ein Segment eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises mit einem Mittelpunktswinkel α von mindestens 90° aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement und ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zu deren Herstellung.
  • Die Erfindung betrifft weiter eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement für Fahrzeuge mit elektrisch leitfähigen Strukturen wie beispielsweise Heizleiter oder Antennenleiter. Die elektrisch leitfähigen Strukturen sind üblicherweise über angelötete elektrische Anschlusselemente mit der Bordelektrik verbunden. 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 Scheibe hervorrufen können.
  • 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. Das betrifft unter anderem die Durchsetzung von bleifreien Lötmitteln in elektrischen Anwendungen auf Glas und die Einführung entsprechender Ersatzprodukte hierzu.
  • EP 1 942 703 A2 offenbart ein elektrisches Anschlusselement an Scheiben von Fahrzeugen, wobei die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Scheibe und elektrischem Anschlusselement < 5 x 10-6/°C beträgt, das Anschlusselement überwiegend Titan enthält und die Kontaktfläche zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur rechteckig ausgeformt ist. Um eine ausreichende mechanische Stabilität und Prozessierbarkeit zu ermöglichen wird vorgeschlagen, einen Lotmassenüberschuss zu verwenden. Der Überschuss an Lotmasse tritt aus dem Zwischenraum zwischen dem Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur heraus. Der Überschuss an Lotmasse verursacht hohe mechanische Spannungen in der Glasscheibe. Diese mechanischen Spannungen führen schließlich zum Bruch der Scheibe.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement und ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei kritische mechanische Spannungen in der Scheibe vermieden werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Die erfindungsgemäße Scheibe mit mindestens einem elektrischen Anschlusselement umfasst die folgenden Merkmale:
    • ein Substrat,
    • eine elektrisch leitfähige Struktur auf einem Bereich des Substrats,
    • eine Schicht einer Lotmasse auf einem Bereich der elektrisch leitfähigen Struktur und
    • mindestens zwei Lötstellen des Anschlusselements auf der Lotmasse, wobei
    • die Lötstellen mindestens eine Kontaktfläche zwischen dem Anschlusselement und der elektrisch leitfähigen Struktur ausbilden und
    • die Form der Kontaktfläche mindestens ein Segment eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises mit einem Mittelpunktswinkel von mindestens 90° aufweist.
  • Der Mittelpunktswinkel des Segments beträgt von 90° bis 360°, bevorzugt von 140° bis 360°, beispielsweise von 180° bis 330° oder von 200° bis 330°. Bevorzugt weist die Form der Kontaktfläche zwischen dem Anschlusselement und der elektrisch leitfähigen Struktur zumindest zwei Halbellipsen, besonders bevorzugt zwei Halbkreise auf. Ganz besonders bevorzugt ist die Kontaktfläche als Rechteck mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Halbkreisen ausgeformt. In einer alternativen besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Form der Kontaktfläche zwei Kreissegmente mit Mittelpunktswinkel von 210° bis 360° auf. Die Form der Kontaktfläche kann auch beispielsweise zwei Segmente eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises umfassen, wobei der Mittelpunktswinkel von 180° bis 350°, bevorzugt von 210° bis 310° beträgt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Lötstellen zwei voneinander getrennte Kontaktflächen zwischen dem Anschlusselement und der elektrisch leitfähigen Struktur aus. Jede Kontaktfläche ist an der zum Substrat hingewandten Fläche eines von zwei Fußbereichen des Anschlusselements angeordnet. Die Fußbereiche sind über eine Brücke miteinander verbunden. Die beiden Kontaktflächen sind über die zum Substrat hingewandte Fläche der Brücke miteinander verbunden. Die Form jeder der beiden Kontaktflächen weist mindestens ein Segment eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises mit einem Mittelpunktswinkel von 90° bis 360°, bevorzugt von 140° bis 360° auf. Jede Kontaktfläche kann eine ovale, bevorzugt eine elliptische Struktur aufweisen. Besonders bevorzugt ist jede Kontaktfläche als Kreis ausgeformt. Alternativ ist jede Kontaktfläche bevorzugt als Kreissegment mit einem Mittelpunktswinkel von mindestens 180°, besonders bevorzugt mindestens 200°, ganz besonders bevorzugt mindestens 220°, und insbesondere mindestens 230° ausgeformt. Das Kreissegment kann beispielsweise einen Mittelpunktswinkel von 180° bis 350°, bevorzugt von 200° bis 330°, besonders bevorzugt von 210° bis 310° aufweisen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements ist jede Kontaktfläche als Rechteck mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Halbovalen, bevorzugt Halbellipsen, besonders bevorzugt Halbkreisen ausgestaltet.
  • Auf der Scheibe ist eine elektrisch leitfähige Struktur aufgebracht. Das elektrische Anschlusselement ist mit einer Lotmasse auf Teilbereichen mit der elektrisch leitfähigen Struktur elektrisch verbunden.
  • Das Anschlusselement wird durch Löten, beispielsweise Widerstandslöten, über die Kontaktfläche oder die Kontaktflächen mit der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden. Beim Widerstandslöten werden zwei Lötelektroden verwendet, wobei jede Lötelektrode mit einer Lötstelle des Anschlusselements in Kontakt gebracht wird. Während des Lötvorgangs fließt ein Strom von einer Lötelektrode über das Anschlusselement zur zweiten Lötelektrode. Der Kontakt zwischen Lötelektrode und Anschlusselement erfolgt bevorzugt über eine möglichst kleine Fläche. Beispielsweise sind die Lötelektroden als Spitzen gestaltet. Die kleine Kontaktfläche bewirkt eine hohe Stromdichte im Bereich des Kontaktes zwischen Lötelektrode und Anschlusselement. Die hohe Stromdichte führt zu einer Erwärmung des Kontaktbereichs zwischen Lötelektrode und Anschlusselement. Ausgehend von jeder der beiden Kontaktbereiche zwischen Lötelektrode und Anschlusselement erfolgt die Ausbreitung einer Wärmeverteilung. Die Isothermen können für den Fall zweier Punktwärmequellen vereinfacht als konzentrische Kreise um die Lötstellen dargestellt werden. Die genaue Form der Wärmeverteilung ist von der Form des Anschlusselements abhängig. Die Erwärmung im Bereich der Kontaktflächen zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur führt zum Aufschmelzen der Lotmasse.
  • Nach dem Stand der Technik wird das Anschlusselement beispielsweise bevorzugt über eine rechteckige Kontaktfläche mit der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden. Entlang der Ränder einer rechteckigen Kontaktfläche treten während des Lötvorgangs aufgrund der sich von den Lötstellen ausbreitenden Wärmeverteilung Temperaturunterschiede auf. Dadurch können Bereiche der Kontaktfläche existieren, in denen die Lötmasse nicht vollständig aufgeschmolzen wird. Diese Bereiche führen zu einer schlechten Haftung des Anschlusselements und zu mechanischen Spannungen in der Scheibe.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt in der Ausformung der Kontaktfläche oder der Kontaktflächen zwischen dem Anschlusselement und der elektrisch leitfähigen Struktur. Der Form der Kontaktflächen ist zumindest in einem überwiegenden Bereich der Kanten abgerundet und weist bevorzugt Kreise oder Kreissegmente auf. Die Form der Kontaktflächen ist an die Form der Wärmeverteilung um die Lötstellen während des Lötvorgangs angenähert. Entlang der Ränder der Kontaktflächen treten deshalb während des Lötvorgangs keine oder nur geringe Temperaturunterschiede auf. Dies führt zu einem gleichmäßigen Aufschmelzen der Lotmasse im gesamten Bereich der Kontaktflächen zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Haftung des Anschlusselements, die Verkürzung der Dauer des Lötvorgangs und die Vermeidung von mechanischen Spannungen in der Scheibe. Insbesondere bei der Verwendung einer bleifreien Lotmasse, die aufgrund ihrer geringeren Duktilität im Vergleich zu bleihaltigen Lotmassen mechanische Spannungen weniger gut kompensieren kann, ergibt sich ein besonderer Vorteil.
  • Die Anschlusselemente sind in der Draufsicht beispielsweise bevorzugt 1 mm bis 50 mm lang und breit und besonders bevorzugt 2 mm bis 30 mm lang und breit und ganz besonders bevorzugt 2 mm bis 8 mm breit und 10 mm bis 24 mm lang.
  • Zwei durch eine Brücke miteinander verbundene Kontaktflächen sind beispielsweise bevorzugt 1 mm bis 15 mm lang und breit und besonders bevorzugt 2 mm bis 8 mm lang und breit.
  • Die Lotmasse tritt mit einer Austrittsbreite von < 1 mm aus dem Zwischenraum zwischen dem Anschlusselement und der elektrisch leitfähigen Struktur aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die maximale Austrittsbreite bevorzugt 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 Anschlusselementes 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 von elektrischem Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur gebildeten Zwischenraum zurückgezogen sein.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe ist die maximale Austrittsbreite in dem vom elektrischen Anschlusselement 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.
  • Die Brücke zwischen zwei Fußbereichen des erfindungsgemäßen Anschlusselements ist bevorzugt abschnittsweise plan ausgeformt. Besonders bevorzugt besteht die Brücke aus drei planen Abschnitten. Plan bedeutet, dass die Unterseite des Anschlusselements eine Ebene bildet. Der Winkel zwischen der Oberfläche des Substrats und der Unterseite jedes direkt an einen Fußbereich angrenzenden planen Abschnitts der Brücke beträgt bevorzugt < 90°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 85°, ganz besonders bevorzugt zwischen 2° und 75° und insbesondere zwischen 3° und 60°. Die Brücke ist dabei so ausgeformt, dass jeder an einen Fußbereich angrenzende plane Abschnitt in die dem unmittelbar angrenzenden Fußbereich abgewandte Richtung geneigt ist.
  • Der Vorteil liegt in der Wirkung des Kapillareffekts zwischen elektrisch leitfähiger Struktur und den an die Kontaktflächen angrenzenden Abschnitten der Brücke. Der Kapillareffekt ist eine Folge des geringen Abstands zwischen der elektrisch leitfähigen Struktur und den an die Kontaktflächen angrenzenden Abschnitten der Brücke. Der geringe Abstand ergibt sich aus dem Winkel < 90° zwischen der Oberfläche des Substrats und der Unterseite jedes direkt an einen Fußbereich angrenzenden planen Abschnitts der Brücke. Der gewünschte Abstand zwischen Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur wird nach dem Aufschmelzen der Lotmasse eingestellt. Überschüssige Lotmasse wird durch den Kapillareffekt kontrolliert in das von der Brücke und der elektrisch leitfähigen Struktur begrenzte Volumen gesaugt. Dadurch wird der Lotmasseübertritt an den Außenkanten des Anschlusselements und damit die maximale Austrittsbreite verringert. Somit wird eine Reduzierung der mechanischen Spannungen in der Scheibe erreicht.
  • Im Sinne der Definition der maximalen Austrittsbreite sind die Kanten der Kontaktflächen, an welche die Brücke angeschlossen ist, keine Außenkanten des Anschlusselements.
  • Der Hohlraum, der durch die elektrisch leitfähige Struktur und die Brücke begrenzt wird, kann vollständig mit Lotmasse gefüllt sein. Bevorzugt ist der Hohlraum nicht vollständig mit Lotmasse gefüllt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brücke gekrümmt. Die Brücke kann eine einzige Krümmungsrichtung haben. Dabei hat die Brücke bevorzugt das Profil eines ovalen Bogens, besonders bevorzugt das Profil eines Ellipsenbogens und ganz besonders bevorzugt das Profil eines Kreisbogens. Der Krümmungsradius des Kreisbogens beträgt beispielsweise bevorzugt von 5 mm bis 15 mm bei einer Länge des Anschlusselements von 24 mm. Die Krümmungsrichtung der Brücke kann sich auch ändern.
  • Die Brücke kann auch aus mindestens zwei Teilelementen bestehen, die sich in direktem Kontakt miteinander befinden. Die Projektion der Brücke in die Ebene der Substratoberfläche kann auch gekrümmt sein. Bevorzugt ändert sich dabei die Krümmungsrichtung in der Brückenmitte. Die Brücke muss keine konstante Breite aufweisen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede der beiden Lötstellen auf einer Kontakterhebung angeordnet. Die Kontakterhebungen sind auf der vom Substrat abgewandten Fläche des Anschlusselements angeordnet. Die Kontakterhebungen enthalten bevorzugt die gleiche Legierung wie das Anschlusselement. Jede Kontakterhebung ist bevorzugt zumindest in dem der Oberfläche des Substrats abgewandten Bereich konvex gekrümmt ausgeformt. Jede Kontakterhebung ist beispielsweise als Segment eines Rotationsellipsoids oder als Kugelsegment ausgeformt. Alternativ kann die Kontakterhebung als Quader ausgeformt sein, wobei die vom Substrat abgewandte Fläche konvex gekrümmt ausgeformt ist. Die Kontakterhebungen haben bevorzugt eine Höhe von 0,1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,2 mm bis 1 mm. Die Länge und Breite der Kontakterhebungen beträgt bevorzugt zwischen 0,1 und 5 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,4 mm und 3 mm. Die Kontakterhebungen können als Prägungen gestaltet sein. Die Kontakterhebungen können in einer vorteilhaften Ausgestaltung einstückig mit dem Anschlusselement ausgebildet sein. Die Kontakterhebungen können beispielsweise durch Umformen eines Anschlusselementes mit im Ausgangszustand planer Oberfläche auf der Oberfläche ausgebildet werden, beispielsweise durch Prägen oder Tiefziehen. Dabei kann eine entsprechende Vertiefung auf der der Kontakterhebung gegenüberliegenden Oberfläche des Anschlusselements erzeugt werden.
  • 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 Punkt auf der konvexen Oberfläche der Kontakterhebung, der den größten lotrechten Abstand zur Oberfläche des Substrats aufweist, ist zwischen der Elektrodenfläche und der Oberfläche des Substrats angeordnet. Der Kontaktbereich zwischen Elektrodenfläche und Kontakterhebung bildet die Lötstelle. Die Position der Lötstelle wird dabei bevorzugt 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.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an jeder der Kontaktflächen des Anschlusselements mindestens zwei Abstandshalter angeordnet. Die Abstandshalter enthalten bevorzugt die gleiche Legierung wie das Anschlusselement. Jeder Abstandshalter ist beispielsweise als Würfel, als Pyramide, als Segment eines Rotationsellipsoids oder als Kugelsegment ausgeformt. 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 1x 10-4 m bis 3 x 10-4 m. Durch die Abstandshalter wird die Ausbildung einer gleichmäßigen Lotmasseschicht begünstigt. Das ist besonders vorteilhaft in Hinblick auf die Haftung des Anschlusselements. Die Abstandshalter können einstückig mit dem Anschlusselement ausgebildet sein. Die Abstandshalter können beispielsweise durch Umformen eines Anschlusselementes mit im Ausgangszustand planer Kontaktflächen auf der Kontaktfläche ausgebildet werden, beispielsweise durch Prägen oder Tiefziehen. Dabei kann eine entsprechende Vertiefung auf der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Anschlusselements erzeugt werden.
  • Durch die Kontakterhebungen und die Abstandshalter wird eine homogene, gleichmäßig dicke und gleichmäßig aufgeschmolzene Schicht der Lotmasse erreicht. Dadurch können mechanische Spannungen zwischen Anschlusselement und Scheibe verringert 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.
  • Das Substrat enthält bevorzugt Glas, besonders bevorzugt Flachglas, Floatglas, Quarzglas, Borosilikatglas, Kalk-Natron-Glas. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung enthält das Substrat Polymere, besonders bevorzugt Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat und / oder Gemische davon.
  • Das Substrat weist einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Das Anschlusselement weist einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
  • Der erste thermische Ausdehnungskoeffizient ist bevorzugt von 8 x 10-6/°C bis 9 x 10-6/°C. Das Substrat enthält bevorzugt 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.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest eine Eisen-Nickel-Legierung, eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung oder eine Eisen-Chrom-Legierung.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält 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.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten ≥ 5 x 10-6/°C. Der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient ist dabei bevorzugt von 0,1 x 10-6/°C bis 4 x 10-6/°C, besonders bevorzugt von 0,3 x 10-6/°C bis 3 x 10-6/°C in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 300 °C.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 50 Gew.-% bis 75 Gew.-% Eisen, 25 Gew.-% bis 50 Gew.-% Nickel, 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 und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mangan.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt Chrom, Niob, Aluminium, Vanadium, Wolfram und Titan mit einem Anteil von 0 Gew.-% bis 1 Gew.-%, Molybdän mit einem Anteil von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% sowie herstellungsbedingte Beimengungen.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 55 Gew.-% bis 70 Gew.-% Eisen, 30 Gew.-% bis 45 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kobalt, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Magnesium, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Silizium und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Kohlenstoff.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt Invar (FeNi).
  • Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem Gehalt von beispielsweise 36 Gew.-% Nickel (FeNi36). Es ist eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen, welche die Eigenschaft aufweisen, in bestimmten Temperaturbereichen anomal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben. Fe65Ni35 Invar enthält 65 Gew.-% Eisen und 35 Gew.-% Nickel. Bis zu 1 Gew.-% Magnesium, Silizium und Kohlenstoff werden üblicherweise legiert, um die mechanischen Eigenschaften zu verändern. Durch Legieren von 5 Gew.-% Kobalt kann der thermische Ausdehnungskoeffizient weiter reduziert werden. Eine Bezeichnung für die Legierung ist Inovco, FeNi33Co4.5 mit einem Ausdehnungskoeffizienten (20 °C bis 100 °C) von 0,55 x 10-6/°C.
  • Wird eine Legierung wie Invar mit einem sehr geringen absoluten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von < 4 x 10-6/°C verwendet, findet eine Überkompensation der mechanischen Spannungen durch unkritische Druckspannungen im Glas oder durch unkritische Zugspannungen in der Legierung statt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten < 5 x 10-6/°C. Durch die geringe Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden kritische mechanische Spannungen in der Scheibe vermieden und eine bessere Haftung erhalten. Der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient ist dabei bevorzugt von 4 x 10-6/°C bis 8 x 10-6/°C, besonders bevorzugt von 4 x 10-6/°C bis 6 x 10-6/°C in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 300 °C.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 50 Gew.-% bis 60 Gew.-% Eisen, 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-% bis 20 Gew.-% Kobalt, 0 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Silizium, 0 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff und / oder 0 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Mangan.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt Kovar (FeCoNi).
  • Kovar ist eine Eisen-Nickel-Kobalt Legierung, die Wärmeausdehnungskoeffizienten von üblicherweise etwa 5 x 10-6/°C aufweist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist damit geringer als der Koeffizient typischer Metalle. Die Zusammensetzung enthält beispielsweise 54 Gew.-% Eisen, 29 Gew.-% Nickel und 17 Gew.-% Kobalt. Im Bereich der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik wird deshalb Kovar als Gehäusewerkstoff oder als Submount eingesetzt. Submounts liegen nach dem Sandwichprinzip zwischen dem eigentlichen Trägermaterial und dem Material mit meistens deutlich größerem Ausdehnungskoeffizienten. Kovar dient somit als ausgleichendes Element, welches die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der anderen Materialien verursachten thermo-mechanischen Spannungen aufnimmt und verringert. In gleicher Weise dient Kovar für Metall-Glas-Durchführungen von elektronischen Bauelementen und Materialübergängen in Vakuumkammern.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt durch Glühen thermisch nachbehandelte Eisen-Nickel- und / oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten ebenfalls < 5 x 10-6/°C. Der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient ist dabei 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 in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 300 °C.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 50 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 und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan. Das Anschlusselement kann zusätzlich Beimengungen weiterer Elemente enthalten, darunter Vanadium, Aluminium, Niob und Stickstoff.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement kann auch 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 / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 65 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 Gew.-% Molybdän und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement kann auch 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 Gew.-% Molybdän, 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt zumindest 75 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 und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement kann auch zumindest 78,5 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 und / oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement enthält bevorzugt einen chromhaltigen Stahl mit einem Anteil an Chrom von größer oder gleich 10,5 Gew.-% und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 9 x 10-6/°C bis 13 x 10-6/°C. Weitere Legierungsbestandteile wie Molybdän, Mangan oder Niob führen zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit oder veränderten mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit oder Kaltumformbarkeit.
  • Der Vorteil von Anschlusselementen aus chromhaltigem Stahl gegenüber Anschlusselementen nach dem Stand der Technik aus Titan liegt in der besseren Lötbarkeit. Sie ergibt sich aus der höheren Wärmeleitfähigkeit von 25 W/mK bis 30 W/mK im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit des Titans von 22 W/mK. Die höhere Wärmeleitfähigkeit führt zu einer gleichmäßigeren Erwärmung des Anschlusselements während des Lötvorgangs, wodurch die punktuelle Ausbildung besonders heißer Stellen ("hot spots") vermieden wird. Diese Stellen sind Ausgangspunkte für spätere Beschädigungen der Scheibe. Es ergibt sich eine verbesserte Haftung des Anschlusselements an der Scheibe. Chromhaltiger Stahl ist zudem gut schweißbar. Dadurch ist eine bessere Verbindung des Anschlusselements mit der Bordelektrik über ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Kupfer, durch Verschweißen möglich. Aufgrund der besseren Kaltumformbarkeit kann das Anschlusselement auch besser mit dem elektrisch leitfähigen Material vercrimpt werden. Chromhaltiger Stahl ist zudem besser verfügbar.
  • 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 erfindungsgemäße Schichtdicke des Lots ist bevorzugt < 3.0 x 10-4 m.
  • Die Lotmasse ist bevorzugt bleifrei, enthält also kein Blei. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit der erfindungsgemäßen Scheibe mit elektrischem Anschlusselement. Bleifrei Lotmassen weisen typischerweise eine geringere Duktilität auf als bleihaltige Lotmassen, so dass mechanische Spannungen zwischen Anschlusselement und Scheibe weniger gut kompensiert werden können. Es hat sich aber gezeigt, dass kritische mechanische Spannungen durch das erfindungsgemäße Anschlusselement deutlich vermindert werden. Die erfindungsgemäße 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 erfindungsgemäße 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, Bi67ln33, Bi33ln50Sn17, Sn77,2ln20Ag2,8, Sn95Ag4Cu1, Sn99Cu1, Sn96,5Ag3,5 oder Gemische davon.
  • Das erfindungsgemäße Anschlusselement ist bevorzugt mit Nickel, Zinn, Kupfer und / oder Silber beschichtet. Das erfindungsgemäße Anschlusselement ist besonders bevorzugt mit einer haftvermittelnden Schicht, bevorzugt aus Nickel und / oder Kupfer, und zusätzlich mit einer lötbaren Schicht, bevorzugt aus Silber, versehen. Das erfindungsgemäße Anschlusselement ist ganz besonders bevorzugt mit 0,1 µm bis 0,3 µm Nickel und / oder 3 µm bis 20 µm Silber beschichtet. Das Anschlusselement kann vernickelt, verzinnt, verkupfert und / oder versilbert werden. Nickel und Silber verbessern die Stromtragfähigkeit und Korrosionsstabilität des Anschlusselements und die Benetzung mit der Lotmasse.
  • Die Eisen-Nickel-Legierung, die Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung oder die Eisen-Chrom-Legierung können auch als Ausgleichsplatte auf ein Anschlusselement aus beispielsweise Stahl, Aluminium, Titan, Kupfer angeschweißt, gecrimpt oder geklebt werden. Als Bimetall kann ein günstiges Ausdehnungsverhalten des Anschlusselementes relativ zur Glasausdehnung erzielt werden. Die Ausgleichsplatte ist bevorzugt hutförmig.
  • Das elektrische Anschlusselement enthält auf der zur Lotmasse ausgerichteten Fläche eine Beschichtung, die Kupfer, Zink, Zinn, Silber, Gold oder Legierungen oder Schichten davon, bevorzugt Silber enthält. Dadurch wird eine Ausbreitung der Lotmasse über die Beschichtung hinweg verhindert und die Austrittsbreite begrenzt.
  • Die Form des elektrischen Anschlusselementes kann 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 Verteilung der Lotwärme und damit die Verteilung der Lotmasse im Lötvorgang kann durch die Form des Anschlusselementes definiert werden. Lotmasse fließt zum wärmsten Punkt. Beispielsweise kann die das Anschlusselement eine Einfach- oder Doppelhutform aufweisen, um die Wärme während des Lötvorgangs vorteilhaft im Anschlusselement zu verteilen.
  • Das Einbringen der Energie beim elektrischen Verbinden von elektrischem Anschlusselement und elektrisch leitfähiger Struktur erfolgt bevorzugt mit Stempel, Thermoden, Kolbenlöten, bevorzugt Laserlöten, Heißluftlöten, Induktionslöten, Widerstandslöten und/oder mit Ultraschall.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zur Herstellung einer Scheibe mit mindestens einem Anschlusselement gelöst, wobei
    1. a) Lotmasse auf der Kontaktfläche oder auf den Kontaktflächen des Anschlusselements als Plättchen mit festgelegter Schichtdicke, Volumen und Form aufgebracht wird,
    2. b) eine elektrisch leitfähige Struktur auf einem Bereich eines Substrats aufgebracht wird,
    3. c) das Anschlusselement mit der Lotmasse auf der elektrisch leitfähigen Struktur angeordnet wird,
    4. d) an die Lötstellen Energie eingebracht wird und
    5. e) das Anschlusselement mit der elektrisch leitfähigen Struktur verlötet wird.
  • Die Lotmasse wird bevorzugt vorher auf die Anschlusselemente appliziert, bevorzugt als Plättchen mit festgelegter Schichtdicke, Volumen, Form und Anordnung auf dem Anschlusselement.
  • Das Anschlusselement kann beispielsweise mit einem Blech, einer Litze oder einem Geflecht aus beispielsweise Kupfer verschweißt oder gecrimpt werden und mit der Bordelektrik verbunden werden.
  • Das Anschlusselement wird bevorzugt in Heizscheiben oder in Scheiben mit Antennen in Gebäuden, insbesondere in Automobilen, Eisenbahnen, Flugzeugen oder Seefahrzeugen benutzt. Das Anschlusselement dient dazu, die leitenden Strukturen der Scheibe mit elektrischen Systemen zu verbinden, welche außerhalb der Scheibe angeordnet sind. Die elektrischen Systeme sind Verstärker, Steuereinheiten oder Spannungsquellen.
  • 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 Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe,
    • Fig. 1a eine schematische Darstellung der Wärmeverteilung während des Lötvorgangs,
    • Fig. 2a einen Schnitt A-A' durch die Scheibe gemäß Figur 1,
    • Fig. 2b einen Schnitt B-B' durch die Scheibe gemäß Figur 1,
    • Fig. 2c einen Schnitt C-C' durch die Scheibe gemäß Figur 1,
    • Fig. 3 einen Schnitt C-C' durch eine alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 4 einen Schnitt B-B' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 5 einen Schnitt B-B' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 6 einen Schnitt B-B' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 7 einen Schnitt A-A' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 8 einen Schnitt A-A' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 8a einen Schnitt A-A' durch eine weitere alternative erfindungsgemäße Scheibe,
    • Fig. 9 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe,
    • Fig. 9a einen Schnitt D-D' durch die Scheibe gemäß Figur 9,
    • Fig. 10 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung des Anschlusselements,
    • Fig. 11 eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausgestaltung des Anschlusselements,
    • Fig. 11a einen Schnitt E-E' durch das Anschlusselement gemäß Figur 11,
    • Fig. 12 eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausgestaltung des Anschlusselements,
    • Fig. 13 eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausgestaltung des Anschlusselements,
    • Fig. 13a einen Schnitt F-F' durch das Anschlusselement gemäß Figur 13,
    • Fig. 14 ein detailliertes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Fig.1, Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c zeigen je ein Detail einer erfindungsgemäßen beheizbaren Scheibe 1 im Bereich des elektrischen Anschlusselementes 3. Die Scheibe 1 ist ein 3 mm dickes thermisch vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas aus Natron-Kalk-Glas. Die Scheibe 1 weist eine Breite von 150 cm und eine Höhe von 80 cm auf. Auf der Scheibe 1 ist eine elektrisch leitfähige Struktur 2 in Form einer Heizleiterstruktur 2 aufgedruckt. Die elektrisch leitfähige Struktur 2 enthält Silberpartikel und Glasfritten. Im Randbereich der Scheibe 1 ist die elektrisch leitfähige Struktur 2 auf eine Breite von 10 mm verbreitert und bildet eine Kontaktfläche für das elektrische Anschlusselement 3. Im Randbereich der Scheibe 1 befindet sich weiter ein nicht dargestellter Abdecksiebdruck. Das Anschlusselement 3 besteht aus zwei Fußbereichen 7 und 7', die über die Brücke 9 miteinander verbunden sind. An den zum Substrat hingewandten Flächen der Fußbereiche 7 und 7' sind zwei Kontaktflächen 8' und 8" angeordnet. Im Bereich der Kontaktflächen 8' und 8" bewirkt die Lotmasse 4 eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2. Die Lotmasse 4 enthält 57 Gew.-% Wismut, 40 Gew.-% Zinn und 3 Gew.-% Silber. Die Lotmasse 4 ist durch ein vorgegebenes Volumen und Form vollständig zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2 angeordnet. Die Lotmasse 4 hat eine Dicke von 250 µm. Das elektrische Anschlusselement 3 besteht aus Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10,0 x 10-6/°C. Jede der Kontaktflächen 8' und 8" hat die Form eines Kreissegments mit einem Radius von 3 mm und einem Mittelpunktswinkel α von 276°. Die Brücke 9 besteht aus drei planen Abschnitten 10, 11 und 12. Die zum Substrat hingewandte Fläche jedes der beiden Abschnitte 10 und 12 schließt mit der Oberfläche des Substrats 1 einen Winkel von 40° ein. Der Abschnitt 11 ist parallel zur Oberfläche des Substrats 1 angeordnet. Das elektrische Anschlusselement 3 hat eine Länge von 24 mm. Die beiden Fußbereiche 7 und 7' haben eine Breite von 6 mm, die Brücke 9 hat eine Breite von 4 mm.
  • An jeder der dem Substrat abgewandten Flächen 13 und 13' der Fußbereiche 7 und 7' ist ein Kontakterhebung 14 angeordnet. Die Kontakterhebungen 14 sind als Halbkugeln ausgeformt und haben eine Höhe von 2,5 x 10-4 m und eine Breite von 5 x 10-4 m. Die Mittelpunkte der Kontakterhebungen 14 sind lotrecht zur Oberfläche des Substrats oberhalb der Kreismittelpunkte der Kontaktflächen 8' und 8" angeordnet. Die Lötstellen 15 und 15' sind an den Punkten auf der konvexen Oberfläche der Kontakterhebungen 14 angeordnet, die den größten lotrechten Abstand zur Oberfläche des Substrats aufweisen.
  • An jeder der Kontaktflächen 8' und 8" sind drei Abstandshalter 19 angeordnet. Die Abstandshalter 19 sind als Halbkugeln ausgeformt und haben eine Höhe von 2,5 x 10-4 m und eine Breite von 5 x 10-4 m.
  • Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 ist gut kaltumformbar und gut schweißbar mit allen Verfahren außer Gasschweißung. Der Stahl wird für den Bau von Schalldämpfer- und Abgasentgiftungsanlagen eingesetzt und ist dafür aufgrund der Zunderbeständigkeit bis über 950 °C und Korrosionsbeständigkeit gegen die im Abgassystem auftretenden Beanspruchungen besonders geeignet.
  • Fig. 1a zeigt schematisch eine vereinfachte Darstellung der Wärmeverteilung um die Lötstellen 15 und 15' während des Lötvorgangs. Die kreisförmigen Linien sind dabei Isothermen. Die Form der Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 aus Fig. 1 ist der Wärmeverteilung angepasst. Dadurch wird die Lotmasse 4 im Bereich der Kontaktflächen 8' und 8" gleichmäßig und vollständig aufgeschmolzen.
  • Fig. 3 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2c eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Das elektrische Anschlusselement 3 ist auf der zur Lotmasse 4 hin ausgerichteten Fläche mit einer silberhaltigen Beschichtung 5 versehen. Dadurch wird eine Ausbreitung der Lotmasse über die Beschichtung 5 hinweg verhindert und die Austrittsbreite b begrenzt. In einer weiteren Ausgestaltung kann sich zwischen Anschlusselement 3 und silberhaltiger Schicht 5 eine haftvermittelnde Schicht, beispielsweise aus Nickel und / oder Kupfer, befinden. Die Austrittsbreite b der Lotmasse 4 ist unterhalb von 1 mm. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Fig. 4 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2c eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Das elektrische Anschlusselement 3 enthält auf der zur Lotmasse 4 hin ausgerichteten Fläche eine Aussparung mit einer Tiefe von 250 µm, die ein Lotdepot für die Lotmasse 4 bildet. Ein Austritt der Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum kann vollständig verhindert werden. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 5 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2c eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Die Fußbereiche 7 und 7' des elektrischen Anschlusselements 3 sind an den Randbereichen aufgebogen. Die Höhe der Aufbiegung der Randbereiche von der Glasscheibe 1 beträgt maximal 400 µm. Dadurch wird ein Raum für die Lotmasse 4 gebildet. Die vorgegebene Lotmasse 4 bildet zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2 einen konkaven Meniskus. Ein Austritt von Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum kann vollständig verhindert werden. Die Austrittsbreite b ist in etwa 0, größtenteils aufgrund des gebildeten Meniskus unterhalb von null. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements 3 mit Kontaktflächen 8' und 8" in Form von Kreissegmenten und abschnittsweise plan ausgeformter Brücke 9. Das Anschlusselement 3 enthält eine eisenhaltige Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8 x 10-6/°C. Die Materialdicke beträgt 2 mm. Im Bereich der Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselementes 3 sind hutförmige Ausgleichskörper 6 mit chromhaltigem Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509) aufgebracht. Die maximale Schichtdicke der hutförmigen Ausgleichskörper 6 beträgt 4 mm. Durch die Ausgleichskörper können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anschlusselementes 3 den Erfordernissen der Scheibe 1 und der Lotmasse 4 angepasst werden. Die hutförmigen Ausgleichskörper 6 führen zu einem verbesserten Wärmefluss während der Herstellung der Lotverbindung 4. Die Erwärmung erfolgt vor allem im Zentrum der Kontaktflächen 8' und 8". Die Austrittsbreite b der Lotmasse 4 kann weiter reduziert werden. Aufgrund der geringen Austrittsbreite b von < 1 mm und des angepassten Ausdehnungskoeffizienten können die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 weiter reduziert werden. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 7 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2a eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Die Brücke 9 ist gekrümmt und hat das Profil eines Kreisbogens mit einem Krümmungsradius von 12 mm. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 8 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2a eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Die Brücke 9 ist gekrümmt und ändert zweimal ihre Krümmungsrichtung. Angrenzend an die Fußbereiche 7 und 7' weist die Krümmungsrichtung vom Substrat 1 weg. Dadurch gibt es an den Verbindungen 16 und 16' zwischen den Kontaktflächen 8' und 8" und der Unterseite der Brücke 9 keine Kanten. Die Unterseite des Anschlusselements 3 weist einen kontinuierlichen Verlauf auf. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 8a zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2a eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselementes 3. Die Brücke 9 besteht aus zwei planen Abschnitten 22 und 23. Die zum Substrat hingewandte Fläche jedes der beiden Abschnitte 22 und 23 schließt mit der Oberfläche des Substrats 1 einen Winkel von 20° ein. Die zum Substrat hingewandten Flächen der beiden Abschnitte 22 und 23 schließen miteinander einen Winkel von 140° ein. Die thermischen Spannungen in der Scheibe 1 sind unkritisch und es wird eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Anschlusselement 3 und der Scheibe 1 über die elektrisch leitfähige Struktur 2 bereitgestellt.
  • Fig. 9 und Fig. 9a zeigen je ein Detail einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe 1 im Bereich des elektrischen Anschlusselementes 3. Das Anschlusselement 3 enthält Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509). Die Fußbereiche 7 und 7' sind über die Brücke 9 miteinander verbunden. Die Brücke 9 besteht aus drei plan ausgeformten Abschnitten 10, 11 und 12. Jede der Kontaktflächen 8' und 8" ist als Rechteck mit an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Halbkreisen ausgeformt. Das Anschlusselement 3 hat eine Länge von 24 mm. Die Brücke 9 hat eine Breite von 4 mm. Die Kontaktflächen 8' und 8" sind 4 mm lang und 8 mm breit.
  • An jeder der vom Substrat 1 abgewandten Flächen 13 und 13' der Fußbereiche 7 und 7' ist ein Kontakterhebung 14 angeordnet. Jede Kontakterhebung 14 ist als Quader mit einer Länge von 3 mm und einer Breite von 1 mm ausgeformt, wobei die vom Substrat 1 abgewandten Flächen konvex gekrümmt ausgeformt sind. Die Höhe der Kontakterhebungen beträgt 0,6 mm. Die Lötstellen 15 und 15' sind an den Punkten auf der konvexen Oberfläche der Kontakterhebungen 14 angeordnet, die den größten lotrechten Abstand zur Oberfläche des Substrats aufweisen. An jeder der Kontaktflächen 8' und 8" sind zwei Abstandshalter 19 angeordnet, die als Halbkugeln mit Radius von 2,5 x 10-4 m ausgeformt sind. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements 3. Die Fußbereiche 7 und 7' sind über die Brücke 9 miteinander verbunden. Die Kontaktflächen 8 und 8' sind als Kreissegmente mit Radius von 2,5 mm und einem Mittelpunktswinkel α von 280° ausgeformt. Die Brücke 9 ist gekrümmt ausgeformt. Die Breite der Brücke wird ausgehend von den Verbindungen 16 und 16' zu den Kontaktflächen 8 und 8' in Richtung der Brückenmitte kleiner. Die minimale Breite der Brücke beträgt 3 mm. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Anschlusselement 3 mit der Kontur aus Figur 10 nicht brückenförmig gestaltet. Das Anschlusselement 3 ist dabei über eine Kontaktfläche 8 vollflächig mit der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden.
  • Fig. 11 und Fig. 11a zeigen je ein Detail einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements 3. Die beiden Fußbereiche 7 und 7' sind über die Brücke 9 miteinander verbunden. Jede Kontaktfläche 8' und 8" ist als Kreissegment mit einem Radius von 2,5 mm und einem Mittelpunktswinkel α von 286° ausgeformt. Die Brücke 9 besteht aus zwei Teilelementen. Die Teilelemente haben jeweils einen gekrümmten Teilbereich 17 und 17' und einen planen Teilbereich 18 und 18'. Die Brücke 9 ist durch den Teilbereich 17 mit dem Fußbereich 7 und durch den Teilbereich 17' mit dem Fußbereich 7' verbunden. Die Krümmungsrichtungen der Teilbereiche 17 und 17' weisen vom Substrat 1 weg. Die planen Teilbereiche 18 und 18' sind senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet und befinden sich in direktem Kontakt miteinander. Die Kontakterhebungen 14 sind als Halbkugeln mit einem Radius vom 5 x 10-4 m ausgeformt. Die Abstandshalter 19 sind als Halbkugeln mit einem Radius vom 2,5 x 10-4 m ausgeformt. Das Anschlusselement 3 hat eine Länge von 10 mm. Die Fußbereiche 7 und 7' haben eine Breite von 5 mm, die Brücke 9 hat eine Breite von 3 mm. Die Höhe der Brücke 9 von der Oberfläche des Substrats 1 beträgt 3 mm. Die Höhe der Brücke 9 kann bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements 3. Die beiden Fußbereiche 7 und 7' sind über eine gekrümmte Brücke 9 miteinander verbunden. Jede Kontaktfläche 8' und 8" ist als Kreis mit einem Radius von 2,5 mm ausgeformt. Die beiden Verbindungen 16 und 16' zwischen den Fußbereichen 7 und 7' und der Brücke 9 sind vollständig auf verschiedenen Seiten der direkten Verbindungslinie zwischen den Kreismittelpunkten der Kontaktflächen 8' und 8" angeordnet. Die Projektion der Brücke in die Ebene der Substratoberfläche ist gekrümmt. Die Krümmungsrichtung ändert sich dabei in der Brückenmitte. In der Mitte der Brücke 9 sind seitlich zwei einander gegenüberliegende Ausbuchtungen in Form von Kreissegmenten mit Radien von 2 mm angeordnet. Die Radien der Ausbuchtungen können bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm betragen. Die Ausbuchtungen können beispielsweise auch eine rechteckige Form aufweisen mit einer bevorzugten Länge und Breite von 1 mm bis 6 mm. An den Bereich der Brücke 9, der von den Rändern der Ausbuchtungen begrenzt wird, kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material zur Verbindung mit der Bordelektrik angebracht werden, beispielsweise durch Verschweißen oder Vercrimpen. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Fig. 13 und Fig. 13a zeigen je ein Detail einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anschlusselements 3. Das Anschlusselement 3 ist über eine Kontaktfläche 8 vollflächig mit der elektrisch leitfähigen Struktur 2 verbunden. Die Kontaktfläche 8 ist als Rechteck mit an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Halbkreisen ausgeformt. Die Kontaktfläche hat eine Länge von 14 mm und eine Breite von 5 mm. Das Anschlusselement 3 ist umlaufend im Randbereich 20 aufgebogen. Die Höhe des Randbereichs 20 von der Glasscheibe 1 beträgt 2,5 mm. Die Höhe des Randbereichs 20 kann in alternativen Ausgestaltungen der Erfindung bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm betragen. An einer der beiden geraden Seiten des Anschlusselements 3 ist auf dem aufgebogenen Rand ein Verlängerungselement 21 angeordnet. Das Verlängerungselement 21 besteht aus einem gekrümmten Teilbereich und einem planen Teilbereich. Das Verlängerungselement 21 ist durch den gekrümmten Teilbereich mit dem Randbereich 20 des Anschlusselements 3 verbunden und die Krümmungsrichtung ist der gegenüberliegenden Seite des Anschlusselements 3 zugewandt. Das Verlängerungselement 21 hat in der Draufsicht eine Länge von 11 mm und eine Breite von 6 mm. Das Verlängerungselement 21 kann bevorzugt eine Länge zwischen 5 mm und 20 mm, besonders bevorzugt zwischen 7 mm und 15 mm und eine Breite von 2 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 4 mm bis 8 mm aufweisen. An das Verlängerungselement 21 kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material zur Verbindung mit der Bordelektrik angebracht werden, beispielsweise durch Verschweißen, Vercrimpen oder in Form einer Steckverbindung. Aufgrund der Anordnung der Lotmasse 4 werden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 ist über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Fig. 14 zeigt detailliert ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Scheibe 1 mit elektrischem Anschlusselement 3. Dort wird ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement 3 dargestellt. Als erster Schritt ist es notwendig, die Lotmasse 4 nach Form und Volumen zu portionieren. Die portionierte Lotmasse 4 wird auf die Kontaktfläche 8 oder die Kontaktflächen 8' und 8" des elektrischen Anschlusselementes 3 angeordnet. Das elektrische Anschlusselement 3 wird mit der Lotmasse 4 auf der elektrisch leitfähigen Struktur 2 angeordnet. Es erfolgt eine dauerhafte Verbindung des elektrischen Anschlusselementes 3 mit der elektrisch leitfähigen Struktur 2 und dadurch mit der Scheibe 1 unter Energieeintrag an den Lötstellen 15 und 15'.
    • Beispiel
  • Testproben wurden angefertigt mit der Scheibe 1 (Dicke 3 mm, Breite 150 cm und Höhe 80 cm), der elektrisch leitfähigen Struktur 2 in Form einer Heizleiterstruktur, dem elektrischen Anschlusselement 3 gemäß der Figur 1, der Silberschicht 5 auf den Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 und der Lotmasse 4. Die Materialdicke des Anschlusselementes 3 betrug 0,8 mm. Das Anschlusselement 3 enthielt Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 (ThyssenKrupp Nirosta® 4509). Auf jeder der Kontaktflächen 8' und 8" waren drei Abstandshalter 19 angeordnet. Jede Lötstelle 15 und 15' war auf einer Kontakterhebung 14 angeordnet. Die Lotmasse 4 wurde vorher als Plättchen mit festgelegter Schichtdicke, Volumen und Form auf den Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 aufgebracht. Das Anschlusselement 3 wurde mit der angebrachten Lotmasse 4 auf der elektrisch leitfähigen Struktur 2 angebracht. Das Anschlusselement 3 wurde bei einer Temperatur von 200 °C und einer Behandlungsdauer von 2 Sekunden auf der elektrisch leitfähigen Struktur 2 angelötet. Ein Austritt der Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2, die eine Schichtdicke t von 50 µm überstieg, wurde nur auf einer maximalen Austrittsbreite von b = 0,4 mm beobachtet. Die Ausmaße und Zusammensetzungen des elektrischen Anschlusselements 3, der Silberschicht 5 auf den Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 und der Lotmasse 4 gehen aus der Tabelle 1 hervor. Durch die Anordnung der Lotmasse 4, vorgegeben durch das Anschlusselement 3 und die elektrisch leitfähige Struktur 2, wurden keine kritischen mechanischen Spannungen in der Scheibe 1 beobachtet. Die Verbindung der Scheibe 1 mit dem elektrischen Anschlusselement 3 war über die elektrisch leitfähige Struktur 2 dauerhaft stabil.
  • Bei sämtlichen Proben konnte bei einem Temperaturunterschied von +80 °C auf -30 °C beobachtet werden, dass kein Glassubstrat 1 brach oder Schäden aufwies. Es konnte gezeigt werden, dass kurz nach dem Anlöten diese Scheiben 1 mit angelöteten Anschlusselement 3 gegen plötzlichen Temperaturabfall stabil waren.
  • Des Weiteren wurden Testproben mit einer zweiten Zusammensetzung des elektrischen Anschlusselements 3 durchgeführt. Das Anschlusselement 3 enthielt dabei eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung. Die Ausmaße und Zusammensetzungen des elektrischen Anschlusselements 3, der Silberschicht 5 auf den Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 und der Lotmasse 4 gehen aus Tabelle 2 hervor. Beim Austritt der Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2, die eine Schichtdicke t von 50 µm überstieg, wurde eine durchschnittliche Austrittsbreite b = 0,4 mm erhalten. Auch hier konnte beobachtet werden, dass bei einem Temperaturunterschied von +80 °C auf -30 °C kein Glassubstrat 1 brach oder Schäden aufwies. Es konnte gezeigt werden, dass kurz nach dem Anlöten diese Scheiben 1 mit angelötetem Anschlusselement 3 gegen plötzlichen Temperaturabfall stabil waren.
  • Des Weiteren wurden Testproben mit einer dritten Zusammensetzung des elektrischen Anschlusselements 3 durchgeführt. Das Anschlusselement 3 enthielt dabei eine Eisen-Nickel-Legierung. Die Ausmaße und Zusammensetzungen des elektrischen Anschlusselements 3, der Silberschicht 5 auf den Kontaktflächen 8' und 8" des Anschlusselements 3 und der Lotmasse 4 gehen aus Tabelle 3 hervor. Beim Austritt der Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2, die eine Schichtdicke t von 50 µm überstieg, wurde eine durchschnittliche Austrittsbreite b = 0,4 mm erhalten. Auch hier konnte beobachtet werden, dass bei einem Temperaturunterschied von +80 °C auf -30 °C kein Glassubstrat 1 brach oder Schäden aufwies. Es konnte gezeigt werden, dass kurz nach dem Anlöten diese Scheiben 1 mit angelötetem Anschlusselement 3 gegen plötzlichen Temperaturabfall stabil waren. Tabelle 1
    Bestandteile Material Beispiel
    Anschlusselement 3
    Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 mit der Zusammensetzung:
          Eisen (Gew.-%) 78,87
          Kohlenstoff (Gew.-%) 0,03
          Chrom (Gew.-%) 18,5
          Titan (Gew.-%) 0,6
          Niob (Gew.-%) 1
          Mangan (Gew.-%) 1
    CTE (coefficient of thermal expansion) (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 10
    Differenz zwischen CTE Anschlusselement und Substrat (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 1,7
    Dicke des Anschlusselements (m) 8,0 x 10-4
    Benetzungsschicht 5
    Silber (Gew.-%) 100
    Dicke der Schicht (m) 7,0 x 10-6
    Lotmasse 4
    Zinn (Gew.-%) 40
    Wismut (Gew.-%) 57
    Silber (Gew.-%) 3
    Dicke der Lotschicht in (m) 250 x 10-6
    Die Dicke der Benetzungsschicht und der Lotschicht (m) 257 x 10-6
    Glas Substrat 1
    (Natron-Kalk-Glas)
    CTE (10-6/°C für 0 °C - 320 °C) 8,3
    Tabelle 2
    Bestandteile Material Beispiel
    Anschlusselement 3
          Eisen (Gew.-%) 54
          Nickel (Gew.-%) 29
          Kobalt (Gew.-%) 17
    CTE (coefficient of thermal expansion) (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 5,1
    Differenz zwischen CTE Anschlusselement und Substrat (10-6/°C für 0°C - 100 °C) 3,2
    Dicke des Anschlusselements (m) 8,0 x 10-4
    Benetzungsschicht 5
    Silber (Gew.-%) 100
    Dicke der Schicht (m) 7,0 x 10-6
    Lotmasse 4
    Zinn (Gew.-%) 40
    Wismut (Gew.-%) 57
    Silber (Gew.-%) 3
    Dicke der Lotschicht in (m) 250 x 10-6
    Die Dicke der Benetzungsschicht und der Lotschicht (m) 257 x 10-6
    Glas Substrat 1
    (Natron-Kalk-Glas)
    CTE (10-6/°C für 0 °C - 320 °C) 8,3
    Tabelle 3
    Bestandteile Material Beispiel
    Anschlusselement 3
          Eisen (Gew.-%) 65
          Nickel (Gew.-%) 35
    CTE (coefficient of thermal expansion) (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 1,7
    Differenz zwischen CTE Anschlusselement und Substrat (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 6,6
    Dicke des Anschlusselements (m) 8,0 x 10-4
    Benetzungsschicht 5
    Silber (Gew.-%) 100
    Dicke der Schicht (m) 7,0 x 10-6
    Lotmasse 4
    Zinn (Gew.-%) 40
    Wismut (Gew.-%) 57
    Silber (Gew.-%) 3
    Dicke der Lotschicht in (m) 250 x 10-6
    Die Dicke der Benetzungsschicht und der Lotschicht (m) 257 x 10-6
    Glas Substrat 1
    (Natron-Kalk-Glas)
    CTE (10-6/°C für 0 °C - 320 °C) 8,3
    • Vergleichsbeispiel
  • Das Vergleichsbeispiel wurde genauso durchgeführt wie das Beispiel. Der Unterschied lag in der Form des Anschlusselements. Dieses war nach dem Stand der Technik über eine rechteckige Kontaktfläche mit der elektrisch leitfähigen Struktur verbunden. Die Form der Kontaktfläche war nicht an das Profil der Wärmeverteilung angepasst. Auf der Kontaktfläche waren keine Abstandshalter angeordnet. Die Lötstellen 15 und 15' waren nicht auf Kontakterhebungen angeordnet. Die Ausmaße und Bestandteile des elektrischen Anschlusselements 3, der Metallschicht auf der Kontaktfläche des Anschlusselements 3 und der Lotmasse 4 gehen aus der Tabelle 4 hervor. Das Anschlusselement 3 wurde mit der elektrisch leitfähigen Struktur 2 nach herkömmlichen Verfahren mittels der Lotmasse 4 verlötet. Beim Austritt der Lotmasse 4 aus dem Zwischenraum zwischen dem elektrischen Anschlusselement 3 und der elektrisch leitfähigen Struktur 2, die eine Schichtdicke t von 50 µm überstieg, wurde eine durchschnittliche Austrittsbreite b = 2 mm bis 3 mm erhalten.
  • Bei einem plötzlichen Temperaturunterschied von +80 °C auf -30 °C wurde beobachtet, dass die Glassubstrate 1 kurz nach dem Anlöten überwiegend Schäden aufwiesen. Tabelle 4
    Bestandteile Material Vergleichsbeispiel
    Anschlusselement 3 Stahl der Werkstoff-Nummer 1.4509 nach EN 10 088-2 mit der Zusammensetzung:
          Eisen (Gew.-%) 78,87
          Kohlenstoff (Gew.-%) 0,03
          Chrom (Gew.-%) 18,5
          Titan (Gew.-%) 0,6
          Niob (Gew.-%) 1
          Mangan (Gew.-%) 1
    CTE (coefficient of thermal expansion) (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 10
    Differenz zwischen CTE des Anschlusselements und des Substrats (10-6/°C für 0 °C - 100 °C) 1,7
    Dicke des Anschlusselements (m) 8,0 x 10-4
    Benetzungsschicht 5
    Silber (Gew.-%) 100
    Dicke der Schicht (m) 7,0 x 10-6
    Lotmasse 4
    Zinn (Gew.-%) 40
    Wismut (Gew.-%) 57
    Silber (Gew.-%) 3
    Dicke der Lotschicht in (m) 250 x 10-6
    Die Dicke der Benetzungsschicht und der Lotschicht (m) 257 x 10-6
    Glas Substrat 1
    (Natron-Kalk-Glas)
    CTE (10-6/°C für 0 °C - 320 °C) 8,3
  • Es hat sich gezeigt, dass erfindungsgemäße Scheiben mit Glassubstraten 1 und erfindungsgemäßen elektrischen Anschlusselementen 3 eine bessere Stabilität gegen plötzliche Temperaturunterschiede aufwiesen.
  • Dieses Ergebnis war für den Fachmann unerwartet und überraschend.
    • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Scheibe
    (2)
    Elektrisch leitfähige Struktur
    (3)
    Elektrisches Anschlusselement
    (4)
    Lotmasse
    (5)
    Benetzungsschicht
    (6)
    Ausgleichskörper
    (7)
    Fußbereich des elektrischen Anschlusselements 3
    (7')
    Fußbereich des elektrischen Anschlusselements 3
    (8)
    Kontaktfläche des Anschlusselements 3
    (8')
    Kontaktfläche des Anschlusselements 3
    (8")
    Kontaktfläche des Anschlusselements 3
    (9)
    Brücke zwischen den Fußbereichen 7 und 7'
    (10)
    Abschnitt der Brücke 9
    (11)
    Abschnitt der Brücke 9
    (12)
    Abschnitt der Brücke 9
    (13)
    vom Substrat 1 abgewandte Fläche des Fußbereichs 7
    (13')
    vom Substrat 1 abgewandte Fläche des Fußbereichs 7'
    (14)
    Kontakterhebung
    (15)
    Lötstelle
    (15')
    Lötstelle
    (16)
    Verbindung von Kontaktfläche 8 und der Unterseite der Brücke 9
    (16')
    Verbindung von Kontaktfläche 8' und der Unterseite der Brücke 9
    (17)
    Teilbereich der Brücke 9
    (17')
    Teilbereich des Brücke 9
    (18)
    Teilbereich des Brücke 9
    (18')
    Teilbereich des Brücke 9
    (19)
    Abstandshalter
    (20)
    Randbereich des Anschlusselements 3
    (21)
    Verlängerungselement
    (22)
    Abschnitt der Brücke 9
    (23)
    Abschnitt der Brücke 9
    α
    Mittelpunktswinkel eines Kreissegments einer Kontaktfläche 8'
    b
    maximale Austrittsbreite der Lotmasse
    t
    Grenzdicke der Lotmasse
    A-A'
    Schnittlinie
    B-B'
    Schnittlinie
    C-C'
    Schnittlinie
    D-D'
    Schnittlinie
    E-E'
    Schnittlinie
    F-F'
    Schnittlinie

Claims (13)

  1. Scheibe, umfassend:
    - ein Substrat (1),
    - eine elektrisch leitfähige Struktur (2) auf einem Bereich des Substrats (1),
    - eine Schicht einer Lotmasse (4) auf einem Bereich der elektrisch leitfähigen Struktur (2),
    - mindestens ein elektrisches Anschlusselement (3), das einen chromhaltigen Stahl mit einem Anteil an Chrom von größer oder gleich 10,5 Gew.-% enthält,
    - mindestens zwei Lötstellen (15,15') des Anschlusselements (3) auf der Lotmasse (4), wobei
    - die Lötstellen (15,15') mindestens eine Kontaktfläche (8) zwischen dem Anschlusselement (3) und der elektrisch leitfähigen Struktur (2) ausbilden und
    - die Form der Kontaktfläche (8) mindestens ein Segment eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises mit einem Mittelpunktswinkel α von mindestens 90° aufweist.
  2. Scheibe nach Anspruch 1, wobei
    - die Lötstellen (15,15') zwei voneinander getrennte Kontaktflächen (8',8") zwischen dem Anschlusselement (3) und der elektrisch leitfähigen Struktur (2) ausbilden,
    - die beiden Kontaktflächen (8',8") über die zum Substrat (1) hingewandte Fläche einer Brücke (9) miteinander verbunden sind und
    - die Form jeder der beiden Kontaktflächen (8',8") mindestens ein Segment eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreises mit einem Mittelpunktswinkel α von mindestens 90° aufweist.
  3. Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktfläche (8) oder die Kontaktflächen (8',8") in Form eines Rechtecks mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Halbkreisen ausgeformt sind.
  4. Scheibe nach Anspruch 2, wobei jede Kontaktfläche (8',8") in Form eines Kreises oder eines Kreissegments mit einem Mittelpunktswinkel α von mindestens 180°, bevorzugt mindestens 220° ausgeformt ist.
  5. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (1) Glas, bevorzugt Flachglas, Floatglas, Quarzglas, Borosilikatglas, Kalk-Natron-Glas, oder Polymere, bevorzugt Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat und / oder Gemische davon, enthält.
  6. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an der Kontaktfläche (8) oder den Kontaktflächen (8',8") Abstandshalter (19) angeordnet sind.
  7. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der beiden Lötstellen (15,15') auf einer Kontakterhebung (14) angeordnet ist.
  8. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Anschlusselement (3) zumindest 50 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 oder 0 Gew.-% bis 1 Gew.-% Titan enthält.
  9. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lotmasse (4) Zinn und Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon enthält.
  10. Scheibe nach Anspruch 9, wobei der Anteil an Zinn in der Lotzusammensetzung (4) 3 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% beträgt und der Anteil von Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon 0,5 Gew.-% bis 97 Gew.-% beträgt.
  11. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Anschlusselement (3) mit Nickel, Zinn, Kupfer und / oder Silber beschichtet ist, bevorzugt mit 0,1 µm bis 0,3 µm Nickel und / oder 3 µm bis 20 µm Silber.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei
    a) Lotmasse (4) auf die Kontaktfläche (8) oder die Kontaktflächen (8',8") des Anschlusselements (3) als Plättchen mit festgelegter Schichtdicke, Volumen und Form aufgebracht wird,
    b) eine elektrisch leitfähige Struktur (2) auf einem Bereich eines Substrats (1) aufgebracht wird,
    c) das Anschlusselement (3) mit der Lotmasse (4) auf der elektrisch leitfähigen Struktur (2) angeordnet wird,
    d) an die Lötstellen (15,15') Energie eingebracht wird und
    e) das Anschlusselement (3) mit der elektrisch leitfähigen Struktur (2) verlötet wird.
  13. Verwendung einer Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für Fahrzeuge mit elektrisch leitfähigen Strukturen, bevorzugt mit Heizleitern und/oder Antennenleitern.
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