TWI542560B - 帶有電連接元件及連接網之嵌板 - Google Patents

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克勞斯 斯馬巴克
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Description

帶有電連接元件及連接網之嵌板
本發明關於帶有電連接元件之嵌板、其製造之經濟且環保方法，及其用途。
本發明另外關於用於具有導電結構(例如加熱導體或天線導體)之機動車輛的帶有電連接元件之嵌板。該等導電結構通常係經由焊接之電連接元件而連接至機上電系統。因所使用之材料的不同熱膨脹係數之故，在製造及操作期間發生使嵌板產生應變且可造成該嵌板破裂的機械應力。
含鉛焊料具有高延性，其可藉由塑性變形補償在電連接元件與該嵌板之間發生的機械應力。然而，因為廢棄車輛指令2000/53/EC(the End of Life Vehicles Directive 2000/53/EC)，在歐盟內必須以無鉛焊料代替含鉛焊料。該指令係以縮寫ELV(End of Life Vehicles)表示。其目的係禁止拋棄式電子裝置大量增加所產生之來自產物的極有問題組分。受影響之物質為鉛、汞、鎘及鉻。此尤其關於 在玻璃上之電氣應用中使用無鉛焊料及引入對應替代產物。
然而，先前已知之無鉛焊料(如揭示於例如EP 2 339 894 A1及WO 2000058051)因其低延性而無法與鉛相同程度地補償機械應力。然而慣用含銅連接元件具有比玻璃大之熱膨脹係數(CTE(銅)=16.8×10-6/℃)，因此當該銅熱膨脹時對玻璃造成損壞。為此，具有低熱膨脹係數(較佳在鈉鈣玻璃之量級，於0℃至320℃為8.3×10-6/℃)的連接元件較佳係與無鉛焊料併用。此等連接元件在加熱時幾乎不膨脹，且補償出現的應力。
EP 1 942 703 A2揭示在機動車輛之嵌板上的電連接元件，其中該嵌板與該電連接元件之間的熱膨脹係數差異<5×10-6/℃且該連接元件主要含有鈦。為了能具有適當機械安定性及加工性，提出使用過量焊料。過量焊料從該連接元件與該導電結構之間的中間空間流出。過量焊料造成玻璃嵌板中之高機械應力。該等機械應力最終導致該嵌板破裂。又，鈦難以焊接。此造成該連接元件在嵌板上之不良黏著。此外，該連接元件必須經由導電材料(例如銅)連接至機上電系統，其可能藉由熔接進行。鈦難以熔接。
EP 2 408 260 A1描述具有低熱膨脹係數(CTE)之鐵-鎳合金或鐵-鎳-鈷合金(例如科伐合金(Kovar)或恆範合金(Invar)的用途。科伐合金(CTE=5×10-6/℃)及恆範合金(視組成而定，CTE低至0.55×10-6/℃)均具有低於鈉鈣玻璃之CTE並且補償機械應力。恆範合金具有發生過度補償該等 機械應力的低熱膨脹係數。此造成該玻璃中之壓應力或該合金中之張應力，然而，其必須分類為非關鍵。
連接元件與機上電子裝置之電連接通常經由連接網發生，在該網上經由纜線等施加機上電壓。根據先前技術，該連接網與該連接元件形成整體，並與該連接元件的腳(feet)並聯運作。如WO 2007/110610 A1所述，該整體式帶有連接網之連接元件的幾何形狀應經最佳化在焊接點發生最低可能電壓的效果。
由於安裝鑲嵌玻璃之後該連接網的位置經常難以接近，故該連接網經常預彎曲以使得垂直朝上指向。在含銅連接元件與連接網形成整體之情況下，該再成形可因材料之塑性而非常輕易地進行。然而，因銅之高熱膨脹係數，該等連接元件幾乎不適於使用無鉛焊料焊接在玻璃上。更合適與無鉛焊料併用之材料(諸如鋼合金或鈦)具有大幅高於銅之硬度，因此使連接網之再成形明顯更加困難。
本發明之目的係提供具有電連接元件及連接網之嵌板以及其製造之經濟且環保方法，其中避免該嵌板中之關鍵機械應力且該網位置後來可以簡單工具調整。
本發明之目的係根據本發明藉由根據獨立申請項第1、13及15之具有連接元件的嵌板、其製造方法及用途達成。較佳具體實例呈現在依附項。
本發明目的係藉由帶有至少一個帶有連接網之連接元 件的嵌板而達成，其中該連接元件及該連接網之材料組成不同。該佈置包含至少一個基板，在該基板之至少一個子區域上具有導電結構；在該導電結構之至少一個子區域上的至少一個電連接元件；在該連接元件之至少一個子區域上的連接網；及無鉛焊料，其將該電連接元件連接至該導電結構之至少一個子區域。該連接元件之材料組成係經選擇以使得該基板與該連接元件之間的熱膨脹係數差異小於5×10-6/℃。藉由此方法，該嵌板之熱應力降低且獲得較佳黏著。然而，具有適當熱膨脹係數之材料經常具有高剛性及/或高電阻。然而，連接網之高剛性使得再成形更困難，因此藉由將該連接網向上彎曲之隨後調整該網位置的可能性受限。在已安裝狀態中，因欲將電壓施加至該導電結構之故，而在相同電壓下之較高電阻產生較低電流，在已安裝狀態中，連接網之高電阻同樣是不利的。在根據先前技術已知之連接網係直接形成於其上的整體式連接元件之情況下，該連接元件及連接網必須由相同材料製成，以使該連接元件具有適當熱膨脹係數，而該連接網具有過高剛性及/或過低傳導性，或反之亦然。反之，根據本發明形成兩件式之帶有連接網的連接元件使得能組合不同材料，使得連接元件本身係由具有適當熱膨脹係數(與基板之CTE差異小於5×10-6/℃)的材料製成，而連接網係由具有充分良好再成形性之含銅材料製成。由於該連接元件及該連接網之材料組成係經選擇而不同，這兩種組件的材料可根據對應要求而做最佳地調適。根據本發明之連接網含 有銅且作為實體建置。因此，在一方面，其相當能再成形，同時並非高撓性。可以少許力即將容易再成形之連接網彎曲至所希望位置。因此，該製程可手動進行。該連接網之實體建置確保在其再成形之後亦保持在對應位置。因此避免在安裝嵌板期間或在連接網接觸期間所發生的相對小力道改變其位置。即使在已安裝狀態之嵌板中，此亦產生容易接近之經精確界定的網位置。此外，排除完全不適於用作連接網之非堅實高撓性形式，諸如纜線或扁平導體。根據本發明選擇連接網之電阻以使得避免該連接網上之大幅電壓下降。因此，本發明之帶有連接網的連接元件因其兩件式形式而最佳地利用在對應位置所使用之材料的有利性質，且避免根據先前技術已知之整體式連接元件的缺點。
1‧‧‧透明基板
2‧‧‧導電結構
3‧‧‧連接元件
4‧‧‧連接網
5‧‧‧無鉛焊料
6‧‧‧網版印刷物
7‧‧‧接觸表面
7.1‧‧‧第一接觸表面
7.2‧‧‧第二接觸表面
8‧‧‧間隔件
9‧‧‧接觸凸塊
AA'‧‧‧斷面線
BB'‧‧‧斷面線
本發明茲參考圖式及範例具體實例而詳細解釋。該等圖式係示意圖且不是等比例。該等圖式絕不限制本發明。其描繪：圖1為本發明帶有連接元件及連接網之嵌板的示意透視圖。
圖2為根據圖1之嵌板的沿著斷面線AA'之橫斷面。
圖3為根據圖1之嵌板的俯視平面圖。
圖4為根據圖1及2之帶有連接元件及經再成形連接網的嵌板。
圖5a為本發明帶有連接元件及連接網以及額外接觸凸塊及間隔件之嵌板的其他具體實例之俯視平面圖。
圖5b為根據圖5a之嵌板的沿著斷面線BB'之橫斷面。
圖6為根據本發明用於製造帶有連接元件及連接網之嵌板的方法之流程圖。
帶有連接網之連接元件係以多件式形式，至少兩件，建置，其中該連接元件及該連接網分別形成至少一個組件。在較佳具體實例中，帶有連接網之連接元件係以兩件式形式建置，使連接元件及連接網各由一個組件組成。或者，該連接元件及該連接網亦可各由任何數量之獨立件組成。
在較佳具體實例中，連接網之含銅材料組成物的電阻在0.5μOhm．cm與20μOhm．cm之間，較佳在1.0μOhm．cm與15μOhm．cm之間，尤佳在1.5μOhm．cm與11μOhm．cm之間。此產生具有適於基板之CTE的連接元件與具有經改良傳導性之連接網的尤其有利組合。亦具有適用於基板之熱膨脹係數的先前技術之相當的整體式連接元件具有較高電阻之連接網，使得發生不利的電壓下降增加。
該連接元件具有至少一個在其整體表面上之接觸表面，經由該接觸表面利用之無鉛焊料使該連接元件連接至 該導電結構的子區域。在較佳具體實例中，連接元件係衝壓成橋形式，該連接元件具有兩個用於接觸導電結構之腳，在該等腳之間存在一個不與該導電結構形成直接表面接觸的隆起部分。該連接網較佳係施加在該橋形隆起部分上。該連接元件可包括簡單橋形及更複雜橋形。例如，可想像具有同時產生均勻張應力分布效果及使得能均勻分布焊料圓形腳之啞鈴形。較佳地，使用具有伸長之焊接腳的連接元件，該連接元件的腳指向與施加在該連接元件上之連接網相同的方向。此種設計造成拖出力有利地提高。在此具體實例中，在接觸表面區域中該連接元件之角點亦可磨圓，使得發生焊料均勻分布同時避免在角點上之張應力最大值。
在0℃至300℃之溫度範圍內，連接元件的熱膨脹係數較佳在9×10-6/℃與13×10-6/℃之間，尤佳在10×10-6/℃與11.5×10-6/℃之間，最佳在10×10-6/℃與11×10-6/℃之間，尤其是在10×10-6/℃與10.5×10-6/℃之間。
與連接網相反的，連接元件具有高剛性且難以再成形。此防止彎曲該連接網時該連接元件變形。特別是在橋形連接元件情況下，於再成形該連接網時發生橋區域之扭曲，其亦造成該連接元件與該導電結構之間的焊接連接損壞。一方面藉由選擇適當幾何形狀，另一方面藉由使用難以再成形之材料，可避免此種連接元件之變形。在較佳具體實例中，連接元件之材料在20℃下具有大於或等於150kN/mm2，尤佳係大於或等於190kN/mm2之彈性模數。
本發明之連接元件含有鈦、鐵、鎳、鈷、鉬、銅、鋅、錫、錳、鈮及/或鉻及/或其合金。
本發明之連接元件較佳含有鉻之比例大於或等於10.5重量%之含鉻鋼。此外，合金組分(諸如鉬、錳或鈮)形成經改良之腐蝕安定性或經改良之機械性質，諸如抗張強度或冷成形性。
本發明之連接元件較佳含有至少66.5重量%至89.5重量%之鐵，10.5重量%至20重量%之鉻，0重量%至1重量%之碳，0重量%至5重量%之鎳，0重量%至2重量%之錳，0重量%至2.5重量%之鉬，0重量%至2重量%之鈮，及0重量%至1重量%之鈦。此外，該連接元件可含有其他元素之混合物，包括釩、鋁及氮。
該連接元件尤佳含有至少73重量%至89.5重量%之鐵，10.5重量%至20重量%之鉻，0重量%至0.5重量%之碳，0重量%至2.5重量%之鎳，0重量%至1重量%之錳，0重量%至1.5重量%之鉬，0重量%至1重量%之鈮，及0重量%至1重量%之鈦。此外，該連接元件可含有其他元素之混合物，包括釩、鋁及氮。
該連接元件最佳含有至少77重量%至84重量%之鐵，16重量%至18.5重量%之鉻，0重量%至0.1重量%之碳，0重量%至1重量%之錳，0重量%至1重量%之鈮，0重量%至1.5重量%之鉬，及0重量%至1重量%之鈦。此外，該連接元件可含有其他元素之混合物，包括釩、鋁及氮。
含鉻鋼(特別是所謂「不鏽鋼」或「抗腐蝕鋼」)可經濟地取得。由含鉻鋼所製成之連接元件與許多例如由銅所製成之慣用連接元件相比亦具有高剛性，此形成該連接元件之有利安定性。特別是，在較佳橋形連接元件之情況下，因此可避免在該連接元件再成形時該連接元件的扭曲。此外，相較於許多例如該等由鈦所製成之慣用連接元件，含鉻鋼因較高熱傳導性之故而具有經改良可焊性。
尤其適用之含鉻鋼為根據EN 10 088-2材料編號為1.4016、1.4113、1.4509及1.4510之鋼。
連接元件之材料厚度較佳為0.1mm至2mm，尤佳為0.2mm至1mm，最佳為0.3mm至0.5mm。在較佳具體實例中，連接元件之材料厚度在其整體區域中係恆定。此在關於簡單製造連接元件方面尤其有利。
該連接網含有銅或含銅合金。此外，可含有鈦、鐵、鎳、鈷、鉬、鋅、錫、錳、鈮、矽及/或鉻，及/或其合金。根據電阻選擇適用之材料組成。
在較佳具體實例中，連接網含有45.0重量%至99.9重量%之銅，0重量%至45重量%之鋅，0重量%至15重量%之錫，0重量%至30重量%之鎳，及0重量%至5重量%之矽。除了電解銅之外，各式各樣黃銅或青銅合金適於作為材料，例如鎳銀或康銅(Konstantan)。
尤其地，連接網含有58重量%至99.9重量%之銅及0重量%至37.0重量%之鋅，特別是60重量%至80重量%之銅及20重量%至0重量%之鋅。
作為連接網之材料的特殊實例，必須監測材料編號CW004A(先前為2.0065)之電解銅及材料編號CW505L(先前為2.0265)之CuZn30。
連接網較佳係施加於連接元件之與導電結構無直接表面接觸的橋形衝壓部分。該連接網之目的係使連接元件能連接至交通工具之機上電子裝置。電流經過其上配置有連接網之連接元件的腳流至該連接元件之中央部分，然後流至該連接網。中央施加之連接網因此構成於其上各種子電流結合的節點。因此，為了獲得最高可能傳導性及因此在該節點獲得最小可能電壓下降，連接網之低電阻特別重要。
連接網可成形為各式各樣幾何形狀，且較佳為長形。可想像圓及扁平兩種具體實例。使得可具有用於最佳地將連接網施加在連接元件上之扁平表面的長矩形連接網為佳。此種矩形連接網之寬度為2mm至8mm，較佳為4mm至7mm，尤佳為4.5mm至6.5mm，然而其高度測量為0.2mm至2mm，較佳為0.5mm至1.5mm，尤佳為0.7mm至0.9mm。該連接網之長度可高度變化。該連接網之最小長度視經選擇以導電連接該連接網至電壓源的接觸而定。滑入該連接網之自由端的插頭連接器之空間要求因而大於例如直接焊接在該連接網上之纜線。該連接網較佳係經再成形以使得其自由端不再與基板平行且指向遠離基板方向。因此，該連接網必須足夠長以使得此再成形可完成。通常，使用具有長度為10mm至150mm，較佳為 20mm至80mm之連接網。
在較佳具體實例中，連接網係經訂定尺寸以使得可將具有0.8mm高度及4.8mm、6.3mm或9.5mm寬度之標準汽車葉片狀端子(automotive blade terminal)插在該連接網的自由端上。尤佳係使用具有6.3mm寬度之連接網的具體實例，原因係此對應於根據DIN 46244於該部門慣用之扁平汽車插頭。使連接網標準化成適合慣用扁平汽車插頭之尺寸產生簡單且亦可逆之將基板的導電結構連接至機上電壓之能力。在破裂之連接纜線的情況下，無經焊接連接必須重做以交換瑕疵部分；而是僅將替代纜線插至該連接網上。或者，然而，連接網之電接觸亦可經由焊接連接或壓接發生。
用於接觸該連接網之可用連接纜線原則上為熟悉本技術之人士已知用於導電結構的電接觸之所有纜線。除了導電芯(內部導體)之外，該連接纜線可包括絕緣(較佳為聚合物)包覆層，該連接纜線之末端區域的絕緣包覆層較佳係經移除以使得連接元件與該內部導體之間能導電連接。
連接纜線之導電芯可例如包括銅、鋁及/或銀或其合金或混合物。該導電芯可作為絞合線導體或作為單線導體建置。該連接纜線之導電芯的橫斷面視本發明嵌板之應用的載流量而定，且可由熟悉本技術之人士適當地予以選擇。該橫斷面為例如0.3mm2至6mm2。
該連接網係導電連接至連接元件，可能使用各種焊接或熔接技術連接該元件。較佳地，連接網及連接元件係使 用電極電阻熔接、超音波熔接或摩擦熔接來連接。
在嵌板之至少一個子區域中，安裝較佳含有銀，尤佳為銀粒子及玻璃熔塊之導電結構。本發明之導電結構較佳具有3μm至40μm，尤佳為5μm至20μm，最佳為7μm至15μm，特別是8μm至12μm之層厚度。該連接元件係經由在其整體表面上之接觸表面連接至導電結構的子區域。電接觸係藉由無鉛焊料發生。該導電結構可例如用以接觸施加在嵌板上之線或塗層。該導電結構係例如以在該嵌板對側邊緣上的匯流排形式施加。電壓可經由施加至該等匯流排之連接元件來施加，因此電流從一個匯流排流經該等導電線或塗層至另一匯流排並加熱該嵌板。除了此種加熱功能外，本發明之嵌板亦可想像與天線導體併用，或甚至以需要與該嵌板安定接觸的任何其他佈置形式使用。
基板較佳含有玻璃，尤佳含有扁平玻璃、浮製玻璃、石英玻璃、硼矽玻璃及/或鈉鈣玻璃。然而，基板亦可含有聚合物，較佳為聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚腈、聚酯、聚胺基甲酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯及/或其共聚物或混合物。基板較佳為透明。基板較佳具有0.5mm至25mm，尤佳為1mm至10mm，最佳為1.5mm至5mm之厚度。
基板之熱膨脹係數較佳為8×10-6/℃至9×10-6/℃。基板較佳含有玻璃，該玻璃較佳係在0℃至300℃之溫度範圍內具有8.3×10-6/℃至9×10-6/℃的熱膨脹係數。
導電結構係經由無鉛焊料導電連接至連接元件。無鉛焊料係配置在位於連接元件底部上的接觸表面上。
無鉛焊料之層厚度較佳小於或等於600μm，尤佳係在150μm與600μm之間，尤其是小於300μm。
無鉛焊料較佳係無鉛。有鑑於本發明帶有電連接元件之嵌板的環境影響，此尤其有利。在本發明上後文中，「無鉛焊料」意指根據EC指令「2002/95/EC有關在電氣及電子設備中特定有害物質之使用限制」包括鉛比例低於或等於0.1重量%，較佳係不含鉛的焊料。
無鉛焊料通常具有低於含鉛焊料之延性，使連接元件與嵌板之間的機械應力的補償可能較少。然而，已證實可藉由本發明之連接元件防止關鍵機械應力。焊料較佳含有錫及鉍、銦、鋅、銅、銀或其組成物。本發明之焊料組成物中的錫之比例為3重量%至99.5重量%，較佳為10重量%至95.5重量%，尤佳為15重量%至60重量%。本發明焊料組成物中之鉍、銦、鋅、銅、銀或其組成物的比例為0.5重量%至97重量%，較佳為10重量%至67重量%，因此鉍、銦、鋅、銅或銀之比例可為0重量%。該焊料組成物可含有比例為0重量%至5重量%之鎳、鍺、鋁或磷。本發明之焊料組成物最佳含有Bi40Sn57Ag3、Sn40Bi57Ag3、Bi59Sn40Ag1、Bi57Sn42Ag1、In97Ag3、In60Sn36.5Ag2Cul.5、Sn95.5Ag3.8Cu0.7、Bi67In33、Bi33In50Sn17、Sn77.2In20Ag2.8、Sn95Ag4Cul、Sn99Cul、Sn96.5Ag3.5、Sn96.5Ag3Cu0.5、Sn97Ag3或其 混合物。
在有利具體實例中，焊料含有鉍。已證實含鉍焊料造成本發明之連接元件與嵌板的尤其良好黏著，藉此可避免對嵌板之損壞。該焊料組成物中之鉍的比例較佳為0.5重量%至97重量%，尤佳為10重量%至67重量%，最佳為33重量%至67重量%，特別是50重量%至60重量%。除了鉍之外，該焊料較佳含有錫及銀，或錫、銀及銅。在尤佳具體實例中，該焊料包括至少35重量%至69重量%之鉍，30重量%至50重量%之錫，1重量%至10重量%之銀，及0重量%至5重量%之銅。在最佳具體實例中，該焊料含有至少49重量%至60重量%之鉍，39重量%至42重量%之錫，1重量%至4重量%之銀，及0重量%至3重量%之銅。
在另一有利具體實例中，焊料含有90重量%至99.5重量%之錫，較佳為95重量%至99重量%，尤佳為93重量%至98重量%。除了錫之外，該焊料較佳含有0.5重量%至5重量%之銀，及0重量%至5重量%之銅。
該焊料以較佳小於1mm之流出寬度從介於連接元件之焊接區域與導電結構之間的中間空間流出。在較佳具體實例中，最大流出寬度小於0.5mm，尤其是概略為0mm。此對於嵌板中之機械應力降低、連接元件之黏著及焊料用量之節省尤其有利。最大流出寬度係界定為該焊接區域之外緣與焊料滴落至50μm層厚度以下的焊料交叉點之間的距離。在焊接程序後之已凝固焊料上測得最大流出 寬度。經由適當選擇焊料體積及介於連接元件與導電結構之間的垂直距離可獲得所希望之最大流出寬度，其可藉由簡單實驗測定。介於連接元件與導電結構之間的垂直距離可藉由適當加工工具(例如具有一體成型之間隔件的工具)來預定。最大流出寬度甚至可為負，即拉回至由該電連接元件之焊接區域與該導電結構所形成的中間空間中。本發明之嵌板的有利具體實例中，最大流出寬度係以凹彎月面形式拉回至由該電連接元件之焊接區域與該導電結構所形成的中間空間中。凹彎月面係藉由例如在焊接程序期間於該焊料仍為流體時增長在間隔件與導電結構之間的垂直距離而產生。優點在於降低嵌板(尤其是存在大型焊料交叉之關鍵區域)中的機械應力。
在本發明有利具體實例中，連接元件之接觸表面具有間隔件，較佳為至少兩個間隔件，尤佳係至少三個間隔件。該等間隔件較佳例如藉由衝壓或深衝而以與連接元件成整體形式建置。該等間隔件較佳具有0.5×10-4m至10×10-4m之寬度及0.5×10-4m至5×10-4m之高度，尤佳為1×10-4m至3×10-4m。藉由間隔件，獲得均質、厚度均一且熔融均一之焊料層。如此，在連接元件與嵌板之間的機械應力可降低，且可改善連接元件的黏著。此在使用因延性比含鉛焊料低而導致可能較不補償機械應力之無鉛焊料時尤其有利。
在本發明有利具體實例中，至少一個在焊接程序期間使連接元件與焊接工具接觸之接觸凸塊係配置在該連接元 件背朝基板的焊接區域之表面上。該接觸凸塊較佳係至少在與焊接工具接觸區域中凸出地彎曲。該接觸凸塊較佳具有0.1mm至2mm，尤佳為0.2mm至1mm之高度。該接觸凸塊之長度及寬度較佳係在0.1與5mm之間，最佳係在0.4mm與3mm之間。該等接觸凸塊較佳例如藉由衝壓或深衝而以與連接元件成整體形式建置。為了焊接，可使用接觸側為扁平之電極。使電極表面與該接觸凸塊接觸。為此，該電極表面係與基板之表面平行配置。在該電極表面與該接觸凸塊之間的接觸區域形成焊接點。該焊接點之位置係由與該基板表面具有最大垂直距離的接觸凸塊之凸出表面上的點決定。該焊接點之位置與在連接元件上之焊接電極的位置無關。此在焊接程序期間之可重現、均一熱分布方面尤其有利。在焊接程序期間之熱分布係由該接觸凸塊之位置、尺寸、佈置及幾何形狀決定。
電連接元件具有(較佳係至少在面朝焊料之接觸表面上)含有鎳、銅、鋅、錫、銀、金或其合金或其數層之塗層(濕層)，較佳為銀。此意指，獲致連接元件與焊料之經改良濕潤及連接元件之經改良黏著。
本發明之連接元件較佳係塗覆有鎳、錫、銅及/或銀。本發明之連接元件尤佳係設置有黏著促進層，較佳係由鎳及/或銅製成，且此外設置有可焊接層，較佳係由銀製成。本發明之連接元件係塗覆有(最佳係)0.1μm至0.3μm之鎳及/或3μm至20μm之銀。連接元件可鍍有鎳、錫、銅及/或銀。鎳及銀改善連接元件之載流量及腐蝕安 定性及使用焊料之濕潤性。
連接網可隨意地亦具有塗層。然而，因該連接網與該焊料之間不存在直接接觸，故該連接網之塗層並非必要。如此，該連接網之濕潤性質不需要最佳化。因免除連接網之塗層且僅塗覆連接元件，此降低帶有連接元件及連接網之本發明嵌板的製造成本。
在其他具體實例中，連接網具有含有鎳、銅、鋅、錫、銀、金或其合金或其數層之塗層，較佳為銀。較佳係該連接網係塗覆有鎳、錫、銅及/或銀。最佳係，該連接網係塗覆有0.1μm至0.3μm之鎳及/或3μm至20μm之銀。該連接網可鍍有鎳、錫、銅及/或銀。
電連接元件之形狀可在連接元件及導電結構之中間空間中形成一或複數個焊料儲藏處。該焊料儲藏處及焊料在連接元件上之濕潤性質可防止該焊料從該中間空間流出。焊料儲藏處之設計可為矩形、圓形或多邊形。
本發明另外包括製造帶有兩件式連接元件與連接網之嵌板的方法，其包括下列步驟：a)連接網係以導電方式固定在該連接元件之頂部上，b)在連接元件之底部，將無鉛焊料施加在至少一個接觸表面上，c)該具有無鉛焊料之連接元件係配置在導電結構上，且d)該連接元件係焊接至該導電結構。
導電結構可藉由本身已知之方法，例如藉由網版印刷法，而施加至基板上。導電結構之施加可在程序步驟(a)及(b)之前、期間或之後發生。
焊料較佳係作為具有固定層厚度、體積、形狀及佈置之薄層(platelet)或經平坦化液滴形式施加至連接元件。該焊料薄層之層厚度較佳係小於或等於0.6mm。該焊料薄層之形狀較佳係對應於接觸表面之形狀。若建置接觸表面，例如建置為矩形，該焊料薄層較佳具有矩形形狀。
在電連接元件及導電結構之電連接期間的能源引入較佳係藉由衝孔、熱電極、活塞焊接、微焰焊接，較佳為雷射焊接、熱空氣焊接、感應焊接、電阻焊接及/或使用超音波發生。
較佳地，連接網係熔接或焊接在連接元件之頂部上。尤佳地，連接網係藉由電極電阻熔接、超音波熔接或摩擦熔接固定在連接元件上。
依照程序步驟(d)，隨意地進行連接網之再成形。由於在嵌板安裝於交通工具主體中之後，只能極困難地到達連接網的自由端，該連接網之再成形使得能大幅改善網位置的可及性。此外，藉由該彎曲，可獲得精確界定之網位置。在再成形之後，連接網的自由端指向遠離基板之方向。假定相對於該基板表面之連接網的自由端之角度係視要求而可自由選擇。由於本發明之連接網容易再成形，只需要施加少許力以彎曲該連接網。由於連接網係由實心材料製成且不具高撓性，故發生塑性再成形且可精確獲得連 接網之位置。本發明之連接網的再成形係純粹手動發生且不使用任何工具。在遭遇少許力情況下，避免比連接網明顯更剛硬之連接元件的扭曲。以此方式，同樣防止焊接點之相關聯損壞。
在嵌板安裝於交通工具中及可能之再成形之後，連接網係經由由例如銅所製成之插頭連接器、金屬板、絞合線或編織導體而連接至機上電子裝置系統。較佳地，選擇插頭連接器一方面確保持定安定性及防止從位置滑出之接觸，但另一方面亦為可逆的。因此，在連接網與機上電子裝置系統之間的連接纜線若受損時可以簡單方式置換。反之，上述其他接觸可能性需要焊接或熔接該接觸。
本發明另外包括將本發明帶有導電結構之嵌板用於交通工具、人造鑲嵌玻璃或建築鑲嵌玻璃，特別是用於機動車輛、軌道式交通工具、航空器或船舶的用途。該連接元件用於嵌板之導電結構的連接，諸如例如加熱導體或天線導體連接至外部電系統，諸如放大器、控制單元或電壓源。本發明尤其包括本發明之嵌板在軌道式交通工具或機動車輛中之用途，較佳係作為擋風玻璃、後窗、側窗及/或玻璃頂，特別是作為可加熱嵌板或作為帶有天線功能之嵌板。
圖1描繪本發明帶有連接元件(3)及連接網(4)之嵌板。將覆蓋網版印刷物(6)施加在由3mm厚熱預應力之由鈉鈣玻璃所製成的單一嵌板安全玻璃製成的基板(1)上。基板(1)具有150cm之寬度及80cm之高度，其中帶有連 接網(4)之連接元件(3)係安裝在該覆蓋網版印刷物(6)之區域中的較短側邊緣。呈加熱導體結構形式之導電結構(2)係施加在基板(1)之表面上。該導電結構含有銀粒子及玻璃熔塊，其中銀比例大於90%。在嵌板(I)之邊緣區域中，該導電結構(2)變寬至寬度為10mm。在此區域中，施加將導電結構(2)連接至連接元件(3)之接觸表面(7)的無鉛焊料(5)。在安裝於交通工具主體中之後，由覆蓋網版印刷物(6)隱蔽該接觸。無鉛焊料(5)確保導電結構(2)與連接元件(3)之持久電及機械連接。無鉛焊料(5)含有57重量%之鉍，42重量%之錫，及1重量%之銀。無鉛焊料(5)具有250μm之厚度。連接元件(3)具有橋形。該連接元件包括兩個腳，其底部各帶有有接觸表面(7.1，7.2)及在該等腳之間延伸之橋形部分。在該橋形部分中，連接網(4)係熔接在該連接元件(3)之表面上。該連接網(4)係與該連接元件(3)之外緣齊平對準，並在連接元件(3)之腳的方向上指向超出反側外緣，其中該連接元件(3)與該連接網(4)一起產生E形佈置。該電連接元件(3)具有4mm之寬度及24mm之長度，且係由根據EN 10 088-2材料編號1.4509且在20℃至300℃之溫度範圍內的熱膨脹係數為10.5×10-6/℃的鋼(ThyssenKrupp Nirosta® 4509)製成。該連接元件(3)之材料厚度為0.8mm。該連接網(4)具有0.8mm之高度，6.3mm之寬度，及27mm長度。該連接網(4)係由材料編號CW004A(Cu-ETP)且電阻為1.8μOhm．cm的銅製成。
圖2描繪根據圖1之嵌板的沿著斷面線AA'之橫斷面。將覆蓋網版印刷物(6)施加在導電結構(2)位於其上之基板(1)上。該連接元件(3)之橋形部分(由斷面線AA'切開)係以斑馬線描繪，而連接元件(3)之腳係以點描繪。該連接網(4)位在該連接元件(3)之橋形部分上且熔接於該處。第二接觸表面(7.2)(該連接元件(3)之腳於其上接觸該導電結構(2))係位於該連接元件(3)之底部。無鉛焊料(5)係施加在第二接觸表面(7.2)上以供導電及機械性安定連接連接元件及導電結構。該無鉛焊料(5)以從介於該連接元件(3)與該導電結構(2)之間的間隙對凹彎月面流出。帶有該第一接觸表面(7.1)(未圖示)之連接元件(3)的部分係經類似地建構成此處所述之連接元件(3)部分。
圖3描繪根據圖1之嵌板的俯視平面圖。連接元件(3)與連接網(4)一起形成E形佈置，其中該連接網(4)在該等連接元件(3)的腳之間與之平行地延伸，並指向相同方向。
圖4描繪根據圖1及2之帶有連接元件(3)及沿著斷面線AA'再成形之連接網(4)的本發明嵌板。該描繪之本發明嵌板的大體結構對應於圖1及2所述，其中該連接網(4)係向上彎曲遠離基板(1)。該連接網(4)之自由端(其不直接連接至該連接元件(3))假定相對於該基板(1)之表面為90°度且指向遠離該基板之方向。以此方式，即使在已安裝狀態，該網位置的可及性明顯更佳且經精確地界定。
圖5a及5b描繪帶有連接元件(3)及連接網(4)以及額 外間隔件(8)及接觸凸塊(9)之本發明嵌板的另一具體實例。在圖5a中描繪之俯視平面圖中，間隔件(8)係被連接元件(3)隱藏。圖5b描繪沿著斷面線BB'通過連接元件(3)之腳的橫斷面。連接元件之裁切表面係以斑馬線描繪。圖5b中所描繪之圖使得可分辨在連接元件(3)之第一接觸表面(7.1)上的兩個間隔件(8)。第二接觸表面(7.2)具有兩個類似佈置之間隔件(8)(此處未圖示)。該等間隔件(8)係衝壓在該連接元件(3)之腳中的該等接觸表面(7)上，如此與其建置為整體。該等間隔件(8)係成形為球形段且具有2.5×10-4m之高度及5×10-4m之寬度。藉由該等間隔件(8)促進形成無鉛焊料(5)之均勻層。此對於連接元件(3)之黏著方面尤其有利。該等接觸凸塊(9)係配置在該連接元件(3)之背朝基板(1)與接觸表面(7)反側的表面上。該等接觸凸塊(9)係衝壓在該連接元件(3)之腳中的該等接觸表面(3)上，如此與其建置為整體。該等接觸凸塊(9)係成形為球形段且具有2.5×10-4m之高度及5×10-4m之寬度。該等接觸凸塊(9)用於在焊接製程期間使連接元件(3)與焊接工具接觸。藉由該等接觸凸塊(9)，確定可重現且經界定之熱分布，此與該焊接工具之確切位置無關。
圖6描繪根據本發明用於製造帶有連接元件(3)及連接網(4)之嵌板的方法之流程圖。首先，連接網(4)係以導電方式施加在該連接元件(3)之頂部上。然後，將無鉛焊料(5)施加在該連接元件(3)底部之至少一個接觸表面(7)上，並以該無鉛焊料(5)將該連接元件(3)佈置在導電結構 (2)上。之後，該連接元件(3)係焊接至該導電結構(2)。較佳地，然後藉由一側載在該連接網之外自由端上將該連接網(4)再成形以確保該連接網(4)之較佳可及性。該連接網(4)之再成形可直接跟在先前步驟之後，或僅在將該嵌板安裝於交通工具主體之後發生，較佳係在安裝該嵌板之後。
下文中，使用先前技術之帶有整體式連接元件的嵌板及本發明之帶有兩件式連接元件及連接網的嵌板之一系列測試比較本發明，在各例中均使用無鉛焊料結合。
表1表示可用於根據先前技術已知之連接元件及/或本發明之連接元件中的不同材料之少許選擇。最後一欄中所列出之參考數字係所指示物理性質的來源。
在一系列測試中，比較帶有連接網(4)之本發明連接元件(3)與先前技術之三種不同連接元件。為確定可比較性，使用相同幾何形狀之本發明兩件式帶有連接網的連接元件與根據先前技術已知之整體形成的連接元件。連接元件之幾何形狀對應於圖1所描繪的佈置。作為基板(1)，在3mm厚熱預應力之由鈉鈣玻璃所製成的單一嵌板安全玻璃上施加覆蓋網版印刷物(6)。該基板(1)具有150cm之寬度及80cm之高度，其中帶有連接網(4)之連接元件係安裝在該覆蓋網版印刷物(6)之區域中的較短側邊緣。各例中所使用之連接元件包括兩個底部各帶有一個接觸表面 (7.1，7.2)的腳。呈加熱導體結構形式之導電結構(2)係施加在該基板(1)之表面上。該導電結構含有銀粒子及玻璃熔塊，其中所選擇之銀比例大於90%。在嵌板(I)之邊緣區域中，該導電結構(2)變寬至10mm。將不同連接元件安裝在此區域上。為此，使用由57重量%之鉍，42重量%之錫，及1重量%之銀所製成的無鉛焊料(5)，將該無鉛焊料(5)在該連接元件之接觸表面(7)與該導電結構(2)之間施加為250μm之厚度。該實例中及對照實例中所使用之連接元件具有相同橋形。在各例中，在連接元件表面上之連接網係位在該連接元件的橋形部分中。該連接網係與該連接元件之外緣齊平對準，並在連接元件之腳的方向上指向超出反側外緣，其中該連接元件與該連接網一起產生E形佈置。所使用之連接元件具有4mm之寬度及24mm之長度。該連接元件之材料厚度為0.8mm，且該連接網具有0.8mm之高度，6.3mm之寬度及27mm之長度。在對照實例中，連接網係與連接元件形成整體，因此係由相同材料製成。在本發明之實例中，連接網(4)係熔接在本發明之連接元件(3)的表面上。在該情況下，該連接網(4)及該連接元件(3)係形成兩件式，且由不同材料製成。
表2表示本發明實例中及對照實例中所使用之連接元件及連接網的材料，以及該連接元件及連接網之整體式或兩件式實施。
隨後將實施例1及對照實例2至4之試樣進行各種測試。在第一系列測試中，在溫度變化測試中研究該等試樣之安定性，其中對該等試樣實施+80℃至-30℃之溫度變化。在第二系列測試中，連接網係以90°角向上彎曲遠離基板(1)，如圖4所描繪。接著，檢測該等試樣之焊接點的損壞及連接元件之扭曲。又，比較個別連接網之電阻。此構成連接網之傳導性的量測，其儘可能地高。表3顯示實施例1以及對照實例2至4之該系列測試結果。
如表3中所看出，只有實施例1及對照實例3中，在該溫度變化測試中以及在該連接網再成形時未發生任何損壞。在對照實例2，在溫度變化測試中試樣有損壞。因基板與連接元件之不同熱膨脹係數之故，該連接元件之接觸表面區域中發生玻璃剝落。此外，在對照實例2，在該連接網再成形時焊接點受損。由於對照實例2中之連接元件係由可輕易再成形之銅製成，在彎曲該連接網時，發生橋形連接元件扭曲，此造成該損壞。在對照實例4中，於溫度變化測試中未對試樣造成損壞；然而因連接元件之不當剛性緣故，於再成形程序期間對焊接點造成損壞。亦必須提出對照實例4中所使用之鈦材料昂貴且僅能極困難地焊接。在常規生產中無法容忍此種對於試樣之損壞，因此僅有實施例1及對照實例3具有適當安定性。在對照實例3中，連接元件及連接網係由適當導電鋼製成，因此與本發明之實施例1相較，在連接網上發生明顯較大之電壓下降。然而，此應儘可能保持低以確保最佳電流。因此，只有在實施例1之解決方案中提供具有適當溫度安定性之連接元件及其上僅發生些許電壓下降之可隨意再成形的連接網。此結果係熟悉本技術之人士未預料到且令人意外。
1‧‧‧透明基板
2‧‧‧導電結構
3‧‧‧連接元件
4‧‧‧連接網
5‧‧‧無鉛焊料
6‧‧‧網版印刷物
7.1‧‧‧第一接觸表面
7.2‧‧‧第二接觸表面
AA'‧‧‧斷面線

Claims (22)

  1. 一種帶有至少一個帶有連接網(4)之電連接元件(3)的嵌板，其至少包含- 基板(1)，在該基板(1)之至少一個子區域上具有導電結構(2)，- 在該導電結構(2)之至少一個子區域上的至少一個電連接元件(3)，- 在該連接元件(3)之至少一個子區域上的連接網(4)，及- 無鉛焊料(5)，其將該電連接元件(3)連接至該導電結構(2)之至少一個子區域，其中，介於基板(1)與連接元件(3)之間的熱膨脹係數差異小於5×10-6/℃，其中該連接網(4)係作為實體建置，並且含有銅，且其中該連接元件(3)及該連接網(4)之材料組成係不同。
  2. 如申請專利範圍第1項之嵌板，其中該連接網(4)之電阻介於0.5μOhm．cm與20μOhm．cm之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之嵌板，其中該連接網(4)之電阻係介於1.0μOhm．cm與15μOhm．cm之間。
  4. 如申請專利範圍第3項之嵌板，其中該連接網(4)之電阻係介於1.5μOhm．cm與11μOhm．cm之間。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之嵌板，其中該連接元件(3)含有鈦、鐵、鎳、鈷、鉬、銅、鋅、錫、錳、鈮及/或鉻，及/或其合金。
  6. 如申請專利範圍第5項之嵌板，其中該連接元件(3)含有鐵合金。
  7. 如申請專利範圍第5項之嵌板，其中該連接元件(3)含有至少66.5重量%至89.5重量%之鐵，10.5重量%至20重量%之鉻，0重量%至1重量%之碳，0重量%至5重量%之鎳，0重量%至2重量%之錳，0重量%至2.5重量%之鉬，0重量%至2重量%之鈮，及0重量%至1重量%之鈦。
  8. 如申請專利範圍第7項之嵌板，其中該連接元件(3)含有至少77重量%至84重量%之鐵，16重量%至18.5重量%之鉻，0重量%至0.1重量%之碳，0重量%至1重量%之錳，0重量%至1重量%之鈮，0重量%至1.5重量%之鉬，及0重量%至1重量%之鈦。
  9. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之嵌板，其中該連接網(4)含有鈦、鐵、鎳、鈷、鉬、鋅、錫、錳、鈮、矽、鉻，及/或其合金。
  10. 如申請專利範圍第9項之嵌板，其中該連接網(4)含有45.0重量%至99.9重量%之銅，0重量%至45重量%之鋅，0重量%至15重量%之錫，0重量%至30重量%之鎳，及0重量%至5重量%之矽。
  11. 如申請專利範圍第10項之嵌板，其中該連接網(4)含有58重量%至99.9重量%之銅及0重量%至37.0重量%之鋅。
  12. 如申請專利範圍第11項之嵌板，其中該連接網 (4)含有60重量%至80重量%之銅及20重量%至40重量%之鋅。
  13. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之嵌板，其中該導電結構(2)至少含有銀，並具有5μm至40μm之層厚度。
  14. 如申請專利範圍第13項之嵌板，其中該導電結構(2)至少含有銀粒子及玻璃熔塊。
  15. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之嵌板，其中該基板(1)含有玻璃。
  16. 如申請專利範圍第15項之嵌板，其中該基板(1)含有平板玻璃、浮製玻璃、石英玻璃、硼矽玻璃及/或鈉鈣玻璃。
  17. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之嵌板，其中該無鉛焊料(5)含有錫、鉍、銦、鋅、銅、銀及/或其混合物及/或合金。
  18. 如申請專利範圍第17項之嵌板，其中該無鉛焊料(5)含有35重量%至69重量%之鉍，30重量%至50重量%之錫，1重量%至10重量%之銀，及0重量%至5重量%之銅。
  19. 一種製造如申請專利範圍第1至18項中任一項之嵌板的方法，其中a)連接網(4)係以導電方式固定在該連接元件(3)之頂部上，b)在連接元件(3)之底部，將無鉛焊料(5)施加在至 少一個接觸表面(7)上，c)該具有無鉛焊料(5)之連接元件(3)係配置在基板(1)上之導電結構(2)上，且d)該連接元件(3)係焊接至該導電結構(2)。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該連接網(4)隨後藉由在該連接網(4)末端上一側負重塑性再成形。
  21. 一種如申請專利範圍第1至18項中任一項之嵌板的用途，其係用作具有導電結構之嵌板，用於機動車輛、航空器、船隻、人造鑲嵌玻璃或建築鑲嵌玻璃。
  22. 一種如申請專利範圍第21項之嵌板的用途，其係用作具有加熱導體及/或天線導體之嵌板，用於機動車輛、航空器、船隻、人造鑲嵌玻璃或建築鑲嵌玻璃。
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