DE10018415C1 - Verbindung einer Anschlussstelle mit einer elektrischen Leiterbahn einer Platte - Google Patents

Abstract

Eine Verbindung einer elektrischen Anbschlussstelle 13 mit einer auf eine Glas- oder Glaskeramikplatte 1 aufgebrachten Leiterbahn 5 soll temperaturwechselbeständig, zugfest und leitfähig sein. Hierfür ist mit dem aus Leiterbahn 5 und Platte 1 bestehenden Verbund ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 11 ultraschallverschweißt. Das Verbindungselement 11 erstreckt sich zu der Anschlussstelle 13, die an der Platte 1 befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung wenigstens einer elektrischen Anschlussstelle, insbesondere für eine Sen­ soreinrichtung, mit einer auf einer Platte, insbesondere Glasplatte oder Glaskeramikplatte, aufgebrachten Leiterbahn.

In der DE 40 22 845 C2 ist beschrieben, dass metallische Schichten, die auf eine Glaskeramikplatte im Siebdruckver­ fahren aufgebracht sind, mit elektrischen Kontakten durch Löten oder Kleben verbindbar sind. Es wurde erkannt, dass das Löten oder Kleben nicht zu einer dauerhaft festen, elektrisch leitfähigen Verbindung führt.

In der DE 197 07 664 A1 ist eine Leiterbahn beschrieben, die auf eine Glaskeramikplatte aufgebracht ist. Da die Kontaktierungspunkte auf der als Kochfeld dienenden Glas­ keramikplatte aufwendig herstellbar sind, ist eine mecha­ nische Kontaktierung durch Kontaktstifte vorgeschlagen.

Aus der WO 88/05 428 A1 ist es bekannt, einen elektroni­ schen Baustein (Chip) mit einer Leiterplatte über Draht­ stücke mittels Ultraschall-Verschweißung zu verbinden.

In der US 4 237 368 und der DE 40 22 845 C2 sind Tempera­ tursensoren an einer Glaskeramikkochplatte beschrieben.

Es sind Leiterbahnen auf die Glaskeramikplatte aufge­ bracht. Die Gestaltung der Anschlussstellen ist offenge­ lassen.

Aus der DE 197 11 541 A1 ergibt sich, dass eine Metall­ folie mit der genoppten Unterseite einer Glaskeramik- Kochplatte verklebt werden kann.

In der DE 692 04 564 T2 ist ein Verfahren zur stromlosen Metallisierung eines Musters aus einem anderen Werkstoff als Glas auf einem Glasträger beschrieben. Die Metallisie­ rung soll sich zum Anbringen von Verbindungen mit elektri­ schen Elementen u. a. durch Ultraschallschweißen eignen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung der eingangs genannten Art anzugeben, die korrosionsfest, temperaturwechselbeständig, zugfest und elektrisch leitfähig ist.

Obige Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Ultraschallverschweißung des Verbindungselements mit dem aus Leiterbahn und Platte bestehenden Verbund wird das Verbindungselement nicht nur oberflächlich - wie bei einer Lötverbindung oder Klebeverbindung - an der Leiterbahn befestigt. Vielmehr entsteht bei der Ultra­ schallverschweißung eine Fügungsbindung, die durch die sehr dünne Leiterbahn hindurchgreift und diese mitum­ fasst. Es ergibt sich zusätzlich zur durch das Aufbringen der Leiterbahn auf die Platte bestehenden Bindung eine zusätzliche Bindungskraft zwischen der Leiterbahn und der Platte. Durch das Ultraschallverschweißen sind also alle drei Bindungspartner, nämlich die Platte, die Leiterbahn und das Verbindungselement einheitlich zusammengefügt. Daraus folgt, dass das Verbindungselement zugfest und temperaturwechselbeständig an dem Verbund der Platte und Leiterbahn und insbesondere der Platte als stabil tragendem Element festgelegt ist. Trotz der erheblich unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Platte und der Leiterbahn ist ein Lockern der Bindung damit nicht zu befürchten.

Zwischen dem Verbindungselement und der Leiterbahn ergibt sich beim Ultraschallschweißen zwangsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Ultraschallverbindung ist auch wesentlich korrosionsfester als eine Löt- oder Klebeverbindung.

Durch das Ultraschallschweißen ist im Gegensatz zu einer Lötverbindung auch vermieden, dass die Platte, insbeson­ dere Glaskeramikplatte, punktuell einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt wird, die ihre Dauerfestigkeit beeinträchtigen könnte.

Die Platte weist eine genoppte Oberfläche auf, wobei die Leiterbahn bzw. Leiterbahnen auf die genoppte Oberfläche aufgebracht ist/sind. Zur Verbesserung des Aufbaus und der sicheren Verbindung ist das Verbindungselement in einem Noppental mit dem Verbund aus Leiterbahn und Platte ultraschallverschweißt.

Das Verbindungselement, das beispielsweise ein Draht (Bonddraht) aus einem AlSi-Material ist, erstreckt sich zur an der Platte befestigten Anschlussstelle und ist mit der Anschlussstelle elektrisch kontaktiert und mechanisch verbunden, was durch Löten oder wieder durch Ultraschallschweißen erfolgen kann.

Vorzugsweise ist die Anschlussstelle an einer Anschlussplatine - so wie es beim Elektronikaufbau üblich ist - angeordnet, wobei die Anschlussplatine auf der Platte, insbesondere durch Kleben, befestigt ist. Von der jeweiligen Anschlussstelle führt beispielsweise ein elektrisches Kabel zu einer Elektronikschaltung, deren Sensor die Leiterbahn bzw. Leiterbahnen bilden.

Die Leiterbahn, deren Dicke wesentlich kleiner ist als die der Platte und beispielsweise etwa 100 nm beträgt, ist vorzugsweise in einem Siebdruckverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfverfahren auf die Platte aufgebracht.

Zum Schutz des Verbindungselements und insbesondere zu dessen Korrosionsschutz ist dieses in eine Schutzmasse eingebettet, die sich von der Anschlussstelle bis über die Stelle der Ultraschallverschweißung hinaus erstreckt. Die Schutzmasse ist beispielsweise ein warmhärtendes Epoxid und so gewählt, dass sie an dem Verbund aus Platte und Leiterbahn gut haftet.

Die beschriebene Verbindung lässt sich beispielsweise bei einer Glaskeramikplatte eines Kochfeldes verwenden, wobei die Leiterbahnen Sensorflächen bilden und die Anschlussstellen mit einer elektronischen Sensoreinrichtung verbunden sind. Die beschriebene Verbindung kann auch bei Glasplatten verwendet werden, die Sichtscheiben bei einem Kamin, beispielsweise offenen Kamin, oder einem Backofen bilden.

Die beschriebene Verbindung kann auch bei Steuerelemente tragenden Bedienblenden aus Glas oder bei zur Vermeidung von Kondensation beheizten Scheiben von Kühl- und Gefriergeräten zum Einsatz kommen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Die Figur zeigt eine Verbindungsanordnung im Schnitt schematisch.

Eine Glaskeramikplatte 1 weist eine Oberfläche 2 als Aufstellfläche für Kochgeschirr auf. An ihrer anderen Oberfläche 3 sind Noppen 4 vorgesehen. Die Noppenhöhe beträgt beispielsweise 50 mym bis 200 mym. Der Glaskeramikplatte 1 sind übliche Strahlungsheizeinrichtungen zugeordnet. Auf die Oberfläche 3 ist wenigstens eine Leiterbahn 5 durch Siebdruck, Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht. Die Leiterbahn 5 dient bei Kochflächen als Sensorfläche zur Topferkennung oder Temperaturmessung. Die Leiterbahn 5 kann bei einer Tür eines Mikrowellenofens als elektromagnetische Abschirmung dienen. Bei Backofentüren oder Kaminsichtscheiben kann sie aus Sicherheitsgründen zur Temperaturerfassung vorgesehen sein. Die Leiterbahn 5 besteht aus einer Goldschicht, die als Resinat-Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Die Leiterbahn 5 hat eine Schichtdicke von etwa 100 nm. Sie folgt dem Verlauf der Noppenspitzen und Noppentäler (vgl. Figur).

Auf der Oberfläche 3 ist eine Anschlussplatine 6 mittels eines Klebers 7 befestigt. Die Anschlussplatine 6 überbrückt zwei oder mehrere Noppen, wobei die Noppentäler mit dem Kleber 7 gefüllt sind. Die Anschlussplatine 6 trägt mehrere elektrisch leitende Anschlussflächen 8, von denen in der Figur eine zu sehen ist. Mit der Anschlussfläche 8 bzw. den Anschlussflächen ist ein elektrisches Kabel 9 in einer Zone 10 verbunden. Das Kabel 9 führt zu einer Elektronikschaltung. In der Zone 10 kann eine Lötverbindung oder eine Steckverbindung vorgesehen sein, wobei der eine Teil der Steckverbindung dann an der Anschlussplatine 6 befestigt ist.

Zur Verbindung der Anschlussfläche 8 mit der Leiterbahn 5 ist ein von einem Drahtstück 11 gebildetes Verbindungselement vorgesehen. Das Drahtstück 11 ist ein Bonddraht aus einem AlSi-Material. Der Draht hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,1 mm.

Das eine Ende des Drahtstücks 11 ist mit dem aus der Glaskeramikplatte 1 und der Leiterbahn 5 bestehenden Verbund ultraschallverschweißt. Die Ultraschall-Schweißstelle ist symbolisch mit 12 bezeichnet. Das angeschweißte Drahtstück 11 bzw. die Schweißstelle 12 enden vorzugsweise an der Oberfläche oder vorteilhaft in der Leiterbahn 5, da hierüber die Informationen übertragen werden müssen. Die Schweißstelle 12 liegt in einem Noppental, wodurch eine Beeinträchtigung der im Bereich der Noppenspitzen besonders empfindlichen Leiterbahn 5 vermieden ist. Durch die Ultraschall-Schweißverbindung ist erreicht, dass das Drahtstück 11 nicht nur mit der Leiterbahn 5 verbunden ist und diese nur mit der beim Aufbringen der Leiterbahn 5 auf die Glaskeramikplatte 1 entstehenden Bindungswirkung haftet. Durch das Ultraschall-Schweißverfahren ist eine zusätzliche Bindung der Leiterbahn 5 mit der Glaskeramikplatte 1 im Bereich der Ultraschall-Schweißstelle 12 erreicht und im Endeffekt ist das Ende des Drahtstücks 11 an der Schweißstelle 12 mit der Glaskeramikplatte 1 ultraschallverschweißt. Die Zugfestigkeit beträgt wenigstens 200 cN. Die hohe Festigkeit des Verbunds ist durch die Ultraschall-Schweißverbindung gegeben, obwohl die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glaskeramikplatte 1 und der Leiterbahn 5 extrem unterschiedlich sind. Bei der Verbindung AlSi-Drahtstück 11 und Leiterbahn 5, insbesondere Goldleiterbahn, handelt es sich um sehr struktile Materialien, die - durch die dünne Schicht begünstigt - Ausdehnungsunterschiede abfangen. Die Wärmeleitfähigkeit der Glaskeramik ist gering. Sie liegt bei etwa 1,5 W/mK. Demgegenüber ist die Wärmeleitfähigkeit der Leiterbahn 5 hoch.

Der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Leiterbahn 5 und dem Drahtstück 11 ist durch die Ultraschall-Verschweißung gering. Er ist kleiner als 0,1 Ohm.

Die Ultraschall-Schweißverbindung ist auch temperaturwechselbeständig und korrosionsfest, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn, wie dies beispielsweise bei Kochgeräten der Fall ist, die Verbindung hohen Temperaturen und Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Das Drahtstück 11 erstreckt sich in einer freien Biegung über eine oder mehrere Noppen 4 hinweg zur Anschlussfläche 8 und ist mit dieser an einer Stelle 13 verbunden. An der Stelle 13 kann eine Lötverbindung, Schweißverbindung, Ultraschall-Schweißverbindung, oder Klemmverbindung vorgesehen sein. Die freie Biegung des Drahtstücks 11 zwischen den Stellen 12 und 13 gibt eine gewisse Elastizität bzw. Flexibilität, was für einen Toleranzausgleich und einen Ausgleich unterschiedlicher Temperaturdehnungen günstig ist.

Um das Drahtstück 11 und die Verbindungsstellen 12 und 13 gegen Umwelteinflüsse zu schützen, ist eine Schutzmasse 14 in Form eines Wulstes vorgesehen, die das Drahtstück 11 ummantelt und die Verbindungsstellen 12 und 13 abdeckt. Die Schutzmasse 14 haftet an der Glaskeramikplatte 1 und der Leiterbahn 5. Die Schutzmasse 14 besteht beispielsweise aus einem warmhärtenden Epoxid.

Die Leiterbahn 5 kann als Sensorfläche für verschiedene Anwendungsfälle dienen. Sie kann zur Topferkennung bei einer Kochfläche oder als Temperatursensor dienen, wofür sie einen entsprechenden temperaturabhängigen Widerstand hat.

Claims (14)

1. Verbindung wenigstens einer elektrischen Anschluss­ stelle, insbesondere für eine Sensoreinrichtung, mit einer auf eine Platte, insbesondere Glasplatte oder Glaskeramikplatte, aufgebrachten Leiterbahn, wobei mit dem aus der Leiterbahn (5) und der Platte (1) bestehenden Verbund ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement (11) ultraschallverschweißt ist, das sich zu der Anschluss­ stelle (13) erstreckt und mit dieser kontaktiert ist, und die Anschlussstelle (13) an der Platte (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (5) auf eine genoppte Oberfläche (3, 4) der Platte (1) aufgebracht ist und das Verbindungselement (11) in einem Noppental mit dem Verbund aus Leiterbahn (5) und Platte (1) ultraschallverschweißt ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (5) von einer Edelmetallschicht, insbesondere auf der Basis von Gold oder Platin, gebildet ist, deren Wärmeausdehnungskoeffizient wesentlich höher als der der Platte (1) ist.

3. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (5) in einem Siebdruckverfahren, Sputterverfahren oder Aufdampfverfahren auf die Platte (1) auf gebracht ist.

4. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Leiterbahn (5) etwa 100 nm beträgt.

5. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ein Drahtstück (11) ist.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtstück (11) eine Dicke von etwa 10 mym aufweist.

7. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) aus einem AlSi-Material besteht.

8. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) sich in einer Biegung über wenigstens eine Noppe (4) hinweg zur Anschlussstelle (13) erstreckt.

9. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) in eine Schutzmasse (14) eingebettet ist, die sich von der Anschlussstelle (13) bis über die Stelle (12) der Ultraschall-Verschweißung hinaus erstreckt.

10. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstelle (13) als Anschlussfläche (8) auf einer Anschlussplatine (6) angeordnet ist, die mittels eines Klebers (7) auf der Platte (1) befestigt ist.

11. Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussplatine (6) zwei oder mehr Noppen (4) überbrückt.

12. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung derart gestaltet ist, dass der elek­ trische Übergangswiderstand zwischen der Leiterbahn (5) und dem Verbindungselement (11) weniger als 0,1 Ohm beträgt.

13. Verwendung einer Verbindung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche bei einer Glaskeramikplatte (1) eines Kochfeldes, wobei die Leiterbahnen (5) Sensorflächen bilden und die Anschlussstelle (13) elektrisch mit einer elektronischen Sensoreinrichtung verbunden ist.

14. Verwendung einer Verbindung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche 1 bis 12 bei Kaminsichtscheiben oder Backofensichtscheiben.