具有電連接元件的玻璃板的制作方法
【專利說明】具有電連接元件的玻璃板
[0001]本發(fā)明涉及一種具有電連接元件的玻璃板，一種用于其制造的經(jīng)濟(jì)又環(huán)境友好的方法及其用途。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于具有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(舉例來說，諸如加熱導(dǎo)體或天線導(dǎo)體)的機(jī)動車的具有電連接元件的玻璃板。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)通常經(jīng)由焊接上的電連接元件與車載電氣系統(tǒng)接合。由于所用材料的熱膨脹系數(shù)不同，在制造和操作過程中出現(xiàn)使玻璃板變形并且可能引起玻璃板破裂的機(jī)械應(yīng)力。
[0003]含鉛的焊料具有高的延展性，其可以通過塑性變形來補(bǔ)償在電連接元件與玻璃板之間產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。然而，由于報廢機(jī)動車規(guī)定2000/53/EG，在歐盟內(nèi)含鉛焊料不得不被無鉛焊料所替代。簡要來說，該規(guī)定被稱為縮寫ELV (End of Life Vehicles)。其目標(biāo)是禁止由于一次性電子設(shè)備的大量增加而導(dǎo)致來自于產(chǎn)品的極其有問題的成分。受影響的物質(zhì)是鉛、汞、鎘和鉻。除了其它內(nèi)容，這還涉及在玻璃上電應(yīng)用中無鉛焊接材料的實(shí)施和相應(yīng)替代產(chǎn)品的引入。
[0004]已知的來自電子應(yīng)用的無鉛焊料組合物不適于應(yīng)用在玻璃上。一方面，這些焊料組合物所不能獲得的較高的粘合強(qiáng)度在玻璃上是必須的。另一方面，用于電子基材的柔性焊料具有相對高的熱膨脹系數(shù)，其導(dǎo)致在相對大的溫度波動下很容易發(fā)生玻璃破裂。
[0005]例如，含有銀、錫、鋅、銦、鉍和/或鎵的無鉛金屬合金被公開用于玻璃上。EP 2339 894 Al描述了鉍合金用于將導(dǎo)電層焊接到具有連接元件的玻璃板上的用途。然而，因?yàn)檫@種鉍合金非常易碎，它們并非最佳地適于與玻璃基材結(jié)合的焊接，并且在焊點(diǎn)會產(chǎn)生過高的拉張應(yīng)力。
[0006]用于降低在焊點(diǎn)的拉張應(yīng)力的另一個可能性是加入粗粒度添加劑。例如，US2006/0147337 Al公開了錫-銀合金，其中加入了粒狀的鎳-鐵合金。因此，該焊料的熱膨脹系數(shù)可以顯著降低。
[0007]此外，各種各樣的銦合金在接觸玻璃上的用途是已知的。銦已被證明為一種特別合適的材料，因?yàn)椋捎谄涞陀捕?，其可減少在焊點(diǎn)的拉張應(yīng)力。WO 2000058051公開了含有65重量％的銦、30重量％的錫、4.5重量％的銀，以及0.5重量％的銅的合金。由于其銦含量高，所描述的焊料組合物具有大約121°C的相對低的熔點(diǎn)，其結(jié)果是在焊接操作過程中可以防止過多傳熱到玻璃基材上。然而，同時，這樣的低熔點(diǎn)降低了焊料的抗老化性，因此在強(qiáng)加熱焊點(diǎn)的情況下(例如，在入射陽光和同時使用玻璃板的加熱功能的情況下)，會發(fā)生對焊點(diǎn)的損壞。此外，可以觀察到焊料的不均勻性(舉例來說，諸如，助熔劑的包封)，這取決于它們的膨脹，可以導(dǎo)致焊接接頭的結(jié)構(gòu)失效。另外，該焊料組合物具有不利的潤濕行為，由此導(dǎo)致焊料的不良均勻性，以及空腔的形成。
[0008]本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的具有連接元件的玻璃板，其不具有現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，以及用于其制造的環(huán)境友好的方法。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1、12和13的具有連接元件的玻璃板、用于其制造的方法及其用途來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。優(yōu)選的實(shí)施方案由從屬權(quán)利要求顯現(xiàn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的玻璃板包括具有位于基材的至少一個子區(qū)域上的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的基材、位于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的至少一個子區(qū)域上的電連接元件和無鉛焊料，該焊料在至少一個子區(qū)域中導(dǎo)電地使電連接元件與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)接合。所述無鉛焊料包含58重量百分?jǐn)?shù)(重量％)至62重量％的銦和35重量％至38重量％的錫。特別地，根據(jù)本發(fā)明的焊料包含58.0重量％至62.0重量％的銦和35.0重量％至38.0重量％的錫。由于其機(jī)械性質(zhì)和其良好的潤濕性質(zhì)，錫作為該焊料的基本組分，并主要用作填料，其中錫含量由剩余組分的含量來決定，從而使所有組分總計100%。然而，銦含量的嚴(yán)格遵循是極其重要的，因?yàn)榧词故切〉母淖円矔绊懞噶系馁|(zhì)量，并且只有在所指導(dǎo)的范圍內(nèi)，焊料的特別有利的性質(zhì)才會產(chǎn)生。
[0011 ] 根據(jù)EG規(guī)定“ 2002/95/EG關(guān)于在電氣和電子設(shè)備中使用某些有害物質(zhì)的限制”，可以將無鉛焊料用作含鉛焊料的替代物，以及按照該規(guī)定，該焊料含有0.1重量％鉛的最大限值，優(yōu)選無鉛。就根據(jù)本發(fā)明的玻璃板的環(huán)境影響而言，這是特別有利的。無鉛焊料通常具有相比于含鉛焊料較低的延展性，因此通常會稍遜地補(bǔ)償在連接元件與玻璃板之間的機(jī)械應(yīng)力。然而，已證明根據(jù)本發(fā)明的無鉛焊料特別好地適于與玻璃基材結(jié)合的加工。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的玻璃板的一個特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，無鉛焊料含有59重量％至61重量％的銦和35重量％至38重量％的錫。
[0013]添加到無鉛焊料中的是I重量％至3.5重量％的銀(尤其是1.0重量％至3.5重量％的銀)，優(yōu)選1.5重量％至3重量％的銀(尤其是1.5重量％至3.0重量％的銀)，一方面，銀減少了銀原子從相鄰的材料(舉例來說，諸如，導(dǎo)電結(jié)構(gòu))中出來，進(jìn)入到焊料中的迀移。另一方面，銀的加入增加了無鉛焊料的機(jī)械強(qiáng)度，并有助于避免由溫度波動導(dǎo)致的疲乏現(xiàn)象。
[0014]添加到無鉛焊料中的是含量從0.5重量％至2重量％的銅(尤其是0.5重量％至2.0重量％的銅)，優(yōu)選0.8重量％至1.8重量％的銅，特別優(yōu)選1.2重量％至1.7重量％的銅，尤其是1.4重量％至1.6重量％的銅。該銅含量引起熔點(diǎn)的降低，增加了對抗溫度波動的抗老化性，并且改進(jìn)了焊料的潤濕性質(zhì)。在使用與焊料進(jìn)行直接接觸的含銅組分的情況下，銅含量進(jìn)而可以防止銅原子從相應(yīng)組分進(jìn)入到焊料中的迀移。
[0015]此外，在無鉛焊料中還可以包含鎳。優(yōu)選地，以I重量％的最大含量使用鎳。鎳作用以避免金屬間相(舉例來說，諸如，Ag6Sn和Ag3Sn),其將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％的镲含量就已經(jīng)足夠。然而，镲含量也可以是O重量％。
[0016]此外，在無鉛焊料中可以包含鉍、鋅、銻、金、鋁、砷、鎘、鉻、碳、錳、鈮、鈦、鍺、鐵和/或磷，其中鎘和鉻的最大含量遵循根據(jù)EG規(guī)定2002/95/EG的限值。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的焊料組合物最特別優(yōu)選含有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]焊料組合物與制造相關(guān)的波動范圍是I %，基于所使用的單獨(dú)組分的各自的總量。
[0019]基材優(yōu)選含有玻璃，特別優(yōu)選為平板玻璃、浮法玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃和/或鈉鈣玻璃?；蛘撸目梢院芯酆衔?，優(yōu)選聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和/或其混合物。
[0020]連接元件優(yōu)選包含銅、鋅、鈦、鐵、鎳、鈷、鉬、錫、錳和/或鉻和/或其合金，舉例來說，諸如，黃銅、青銅、鋼、镲銀、康銅合金(Konstantan)、殷鋼合金(Invar)、柯伐合金(Kovar)ο特別優(yōu)選地，連接元件含有鋼，尤其是不銹鋼，例如，以商標(biāo)名“Nirosta”銷售的不生銹的不銹鋼。在一個替代的實(shí)施方案中，連接元件含有58.0重量％至99.9重量％的銅和O重量％至37重量％的鋅。此處提到黃銅合金Cu70Zn30作為實(shí)例。然而，本發(fā)明的無鉛焊料的特別有利的組成允許使用各種各樣的材料作為連接元件。取決于連接元件的材料，根據(jù)本發(fā)明的焊料的組成還在一方面可改變以適應(yīng)于確保連接元件的最佳粘合，并且在另一方面，適應(yīng)于使材料的成本保持盡量低。在連接元件具有高的銅含量的情況下，必須使用富銦焊料組合物；然而，例如，在不銹鋼連接元件的情況下，即使較貧銦的焊料組合物也可以使用。因此，在根據(jù)本發(fā)明的焊料組合物的上下文中，與由不銹鋼制造的連接元件接合的貧銦焊料導(dǎo)致材料成本的顯著降低，因?yàn)榭梢詼p少昂貴的銦的含量。在連接元件和焊料之間的這種協(xié)同效應(yīng)只有通過連接元件和焊料組合物的材料的精密配合才能獲得。在與不銹鋼連接元件一起使用的情況下，本發(fā)明的焊料具有非常好的可加工性和穩(wěn)定性。
[0021]為了獲得焊接接頭對溫度波動的最高可能的抗受能力，所涉及的焊接配件和焊料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該在相同的數(shù)量級上。由于這個原因，推薦使用不銹鋼連接元件，因?yàn)檫@些具有與根據(jù)本發(fā)明的焊料相似的膨脹系數(shù)。因此，包括由鈉鈣玻璃制造的基材、由不銹鋼制造的連接元件和根據(jù)本發(fā)明的焊料組合物的玻璃板在溫度波動