具有电连接元件的玻璃板的制作方法
【专利说明】具有电连接元件的玻璃板
[0001]本发明涉及一种具有电连接元件的玻璃板，一种用于其制造的经济又环境友好的方法及其用途。
[0002]本发明进一步涉及用于具有导电结构(举例来说，诸如加热导体或天线导体)的机动车的具有电连接元件的玻璃板。导电结构通常经由焊接上的电连接元件与车载电气系统接合。由于所用材料的热膨胀系数不同，在制造和操作过程中出现使玻璃板变形并且可能引起玻璃板破裂的机械应力。
[0003]含铅的焊料具有高的延展性，其可以通过塑性变形来补偿在电连接元件与玻璃板之间产生的机械应力。然而，由于报废机动车规定2000/53/EG，在欧盟内含铅焊料不得不被无铅焊料所替代。简要来说，该规定被称为缩写ELV (End of Life Vehicles)。其目标是禁止由于一次性电子设备的大量增加而导致来自于产品的极其有问题的成分。受影响的物质是铅、汞、镉和铬。除了其它内容，这还涉及在玻璃上电应用中无铅焊接材料的实施和相应替代产品的引入。
[0004]已知的来自电子应用的无铅焊料组合物不适于应用在玻璃上。一方面，这些焊料组合物所不能获得的较高的粘合强度在玻璃上是必须的。另一方面，用于电子基材的柔性焊料具有相对高的热膨胀系数，其导致在相对大的温度波动下很容易发生玻璃破裂。
[0005]例如，含有银、锡、锌、铟、铋和/或镓的无铅金属合金被公开用于玻璃上。EP 2339 894 Al描述了铋合金用于将导电层焊接到具有连接元件的玻璃板上的用途。然而，因为这种铋合金非常易碎，它们并非最佳地适于与玻璃基材结合的焊接，并且在焊点会产生过高的拉张应力。
[0006]用于降低在焊点的拉张应力的另一个可能性是加入粗粒度添加剂。例如，US2006/0147337 Al公开了锡-银合金，其中加入了粒状的镍-铁合金。因此，该焊料的热膨胀系数可以显著降低。
[0007]此外，各种各样的铟合金在接触玻璃上的用途是已知的。铟已被证明为一种特别合适的材料，因为，由于其低硬度，其可减少在焊点的拉张应力。WO 2000058051公开了含有65重量％的铟、30重量％的锡、4.5重量％的银，以及0.5重量％的铜的合金。由于其铟含量高，所描述的焊料组合物具有大约121°C的相对低的熔点，其结果是在焊接操作过程中可以防止过多传热到玻璃基材上。然而，同时，这样的低熔点降低了焊料的抗老化性，因此在强加热焊点的情况下(例如，在入射阳光和同时使用玻璃板的加热功能的情况下)，会发生对焊点的损坏。此外，可以观察到焊料的不均匀性(举例来说，诸如，助熔剂的包封)，这取决于它们的膨胀，可以导致焊接接头的结构失效。另外，该焊料组合物具有不利的润湿行为，由此导致焊料的不良均匀性，以及空腔的形成。
[0008]本发明的目的是提供改进的具有连接元件的玻璃板，其不具有现有技术的缺点，以及用于其制造的环境友好的方法。
[0009]根据本发明，通过根据独立权利要求1、12和13的具有连接元件的玻璃板、用于其制造的方法及其用途来实现本发明的目的。优选的实施方案由从属权利要求显现。
[0010]根据本发明的玻璃板包括具有位于基材的至少一个子区域上的导电结构的基材、位于导电结构的至少一个子区域上的电连接元件和无铅焊料，该焊料在至少一个子区域中导电地使电连接元件与导电结构接合。所述无铅焊料包含58重量百分数(重量％)至62重量％的铟和35重量％至38重量％的锡。特别地，根据本发明的焊料包含58.0重量％至62.0重量％的铟和35.0重量％至38.0重量％的锡。由于其机械性质和其良好的润湿性质，锡作为该焊料的基本组分，并主要用作填料，其中锡含量由剩余组分的含量来决定，从而使所有组分总计100%。然而，铟含量的严格遵循是极其重要的，因为即使是小的改变也会影响焊料的质量，并且只有在所指导的范围内，焊料的特别有利的性质才会产生。
[0011 ] 根据EG规定“ 2002/95/EG关于在电气和电子设备中使用某些有害物质的限制”，可以将无铅焊料用作含铅焊料的替代物，以及按照该规定，该焊料含有0.1重量％铅的最大限值，优选无铅。就根据本发明的玻璃板的环境影响而言，这是特别有利的。无铅焊料通常具有相比于含铅焊料较低的延展性，因此通常会稍逊地补偿在连接元件与玻璃板之间的机械应力。然而，已证明根据本发明的无铅焊料特别好地适于与玻璃基材结合的加工。
[0012]在根据本发明的玻璃板的一个特别优选的实施方案中，无铅焊料含有59重量％至61重量％的铟和35重量％至38重量％的锡。
[0013]添加到无铅焊料中的是I重量％至3.5重量％的银(尤其是1.0重量％至3.5重量％的银)，优选1.5重量％至3重量％的银(尤其是1.5重量％至3.0重量％的银)，一方面，银减少了银原子从相邻的材料(举例来说，诸如，导电结构)中出来，进入到焊料中的迀移。另一方面，银的加入增加了无铅焊料的机械强度，并有助于避免由温度波动导致的疲乏现象。
[0014]添加到无铅焊料中的是含量从0.5重量％至2重量％的铜(尤其是0.5重量％至2.0重量％的铜)，优选0.8重量％至1.8重量％的铜，特别优选1.2重量％至1.7重量％的铜，尤其是1.4重量％至1.6重量％的铜。该铜含量引起熔点的降低，增加了对抗温度波动的抗老化性，并且改进了焊料的润湿性质。在使用与焊料进行直接接触的含铜组分的情况下，铜含量进而可以防止铜原子从相应组分进入到焊料中的迀移。
[0015]此外，在无铅焊料中还可以包含镍。优选地，以I重量％的最大含量使用镍。镍作用以避免金属间相(举例来说，诸如，Ag6Sn和Ag3Sn),其将使得焊料更硬和更脆。就此而言，即使是0.1重量％至0.2重量％的镲含量就已经足够。然而，镲含量也可以是O重量％。
[0016]此外，在无铅焊料中可以包含铋、锌、锑、金、铝、砷、镉、铬、碳、锰、铌、钛、锗、铁和/或磷，其中镉和铬的最大含量遵循根据EG规定2002/95/EG的限值。
[0017]根据本发明的焊料组合物最特别优选含有In60Sn36.5Ag2.0Cu1.5、In60Sn36.4Ag2.0Cul.5N1.1、In59Sn36.5Ag3.5Cul.0、In61Sn35.5Ag2.0Cul.5、In61Sn37.5Agl.0Cu0.5、In60Sn37.4Ag2.5N1.1，尤其是 In60Sn36.5Ag2.0Cul.5。
[0018]焊料组合物与制造相关的波动范围是I %，基于所使用的单独组分的各自的总量。
[0019]基材优选含有玻璃，特别优选为平板玻璃、浮法玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃和/或钠钙玻璃。或者，基材可以含有聚合物，优选聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和/或其混合物。
[0020]连接元件优选包含铜、锌、钛、铁、镍、钴、钼、锡、锰和/或铬和/或其合金，举例来说，诸如，黄铜、青铜、钢、镲银、康铜合金(Konstantan)、殷钢合金(Invar)、柯伐合金(Kovar)ο特别优选地，连接元件含有钢，尤其是不锈钢，例如，以商标名“Nirosta”销售的不生锈的不锈钢。在一个替代的实施方案中，连接元件含有58.0重量％至99.9重量％的铜和O重量％至37重量％的锌。此处提到黄铜合金Cu70Zn30作为实例。然而，本发明的无铅焊料的特别有利的组成允许使用各种各样的材料作为连接元件。取决于连接元件的材料，根据本发明的焊料的组成还在一方面可改变以适应于确保连接元件的最佳粘合，并且在另一方面，适应于使材料的成本保持尽量低。在连接元件具有高的铜含量的情况下，必须使用富铟焊料组合物；然而，例如，在不锈钢连接元件的情况下，即使较贫铟的焊料组合物也可以使用。因此，在根据本发明的焊料组合物的上下文中，与由不锈钢制造的连接元件接合的贫铟焊料导致材料成本的显著降低，因为可以减少昂贵的铟的含量。在连接元件和焊料之间的这种协同效应只有通过连接元件和焊料组合物的材料的精密配合才能获得。在与不锈钢连接元件一起使用的情况下，本发明的焊料具有非常好的可加工性和稳定性。
[0021]为了获得焊接接头对温度波动的最高可能的抗受能力，所涉及的焊接配件和焊料的热膨胀系数应该在相同的数量级上。由于这个原因，推荐使用不锈钢连接元件，因为这些具有与根据本发明的焊料相似的膨胀系数。因此，包括由钠钙玻璃制造的基材、由不锈钢制造的连接元件和根据本发明的焊料组合物的玻璃板在温度波动