DE102016002636A1

DE102016002636A1 - Verbundscheibe für ein Fahrzeug und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102016002636A1
Application number: DE102016002636.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Ebert; Bernd BERSCH
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07
Also published as: CN107150574A; US20170256872A1; US9917385B2

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundscheibe, insbesondere Kfz-Fensterscheibe, hat die Schritte: a) Montieren von Führungsstiften (17) und elektronischen Komponenten (6) an Leiterbahnen (21) einer Leiterplatte (12), b) Einfügen der Leiterplatte (12) zwischen eine erste und eine zweite Glasplatte (9, 10), wobei die Führungsstifte (17) in Durchgänge (16) der ersten Glasplatte (10) eingeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundscheibe, insbesondere eine Fensterscheibe für ein Kraftfahrzeug, mit einer integrierten elektronischen Schaltung, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundscheibe.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 013 469.8 ist eine Verbundscheibe mit integrierter elektronischer Schaltung beschrieben. Bei der Fertigung dieser Scheibe wird eine mit Schaltungskomponenten bestückte Leiterplatte zwischen zwei Glasplatten der Verbundscheibe angeschlossen und über Leiter kontaktiert, die sich durch Durchgänge einer der Glasplatten erstrecken. Die Leiter können bereits vor dem Zusammenfügen der Glasplatten und der Leiterplatte in den Durchgängen eingesetzt sein oder nach dem Zusammenfügen in die Durchgänge eingeführt werden.
Fehler bei der Platzierung der Leiterplatte können die Kontaktierung unmöglich machen, sind aber schwierig zu korrigieren, da sie erst nach Anbringung der Leiterplatte erkennbar sind und, um sie zu beheben, die flexible Leiterplatte von der Glasplatte wieder abgehoben und erneut falten- und blasenfrei auf ihr ausgebreitet werden müsste.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Fertigung einer Verbundscheibe anzugeben, das es ermöglicht, Fehler bei der Platzierung der Leiterplatte von vornherein zu vermeiden.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:

a) Montieren von Führungsstiften und elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte,
b) Einfügen der Leiterplatte zwischen eine erste und eine zweite Glasplatte, wobei die Führungsstifte in Durchgänge der ersten Glasplatte eingeführt werden.

Indem sich die Führungsstifte bereits zum Zeitpunkt, an dem die Leiterplatte und die erste Glasplatte zusammengeführt werden, an der Leiterplatte befinden, verhindern sie einen Kontakt zwischen beiden, sofern sie nicht in die Durchgänge der ersten Glasplatte eingreifen. So ist eine Platzierung der Leiterplatte in einer Position, in der sie nicht kontaktiert werden kann, ausgeschlossen.
Wenn die Führungsstifte selbst metallisch sind, können die Leiterbahnen über die Führungsstifte selbst kontaktiert werden. Denkbar ist aber auch die Verwendung von Führungsstiften, die nicht elektrisch leitend sind, sondern durch ihren Eingriff in einen Durchgang lediglich sicherstellen, dass ein nach dem Zusammenbau der Verbundscheibe in den Durchgang eingeführter leitender Kontaktstift auf die von dem Führungsstift markierte Leiterbahn trifft.
Metallische Führungsstifte können zusammen mit den elektronischen Komponenten der Schaltung in einem gleichen Lötschritt auf der Leiterplatte montiert werden.
In Betracht kommt aber auch, in einem Lötschritt, in dem die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte montiert werden, zunächst nur Lötpads für die Führungsstifte auf der Leiterplatte zu erzeugen und die Führungsstifte anschließend zu verlöten, indem sie in heißem Zustand an den Lötpads platziert werden. So können insbesondere Führungsstifte montiert werden, deren Abmessungen ein Schwalllöten schwierig machen.
In Schritt b) sollte zunächst die Leiterplatte auf der ersten Glasplatte angebracht und dann mit der zweiten Glasplatte abgedeckt werden. Würde man die Leiterplatte zunächst an der zweiten Glasplatte anbringen, so würde eine Ungenauigkeit in diesem Schritt dazu führen, dass die Glasplatten nicht kongruent aufeinandergelegt werden können.
Die Führungsstifte sollten in die Durchgänge eingeführt werden, noch bevor ein erster Kontakt der Leiterplatte mit der ersten Glasplatte selbst zustande kommt. So ist die korrekte Orientierung der Leiterplatte noch vor dem ersten Kontakt sichergestellt. Ausgehend von den Durchgängen kann die Leiterplatte dann falten- und blasenfrei auf der ersten Glasplatte ausgebreitet werden.
Eine für den Zusammenhalt der Verbundscheibe auch nach einem eventuellen Bruch der Glasplatten benötigte Verbundkunststoffschicht sollte zwischen die Leiterplatte und die zweite Glasplatte eingefügt werden. So behindert sie nicht die Anbringung der Leiterplatte auf der ersten Glasplatte und insbesondere nicht das Eindringen der Führungsstifte in die Durchgänge der ersten Glasplatte.
Die Leiterplatte wird beim Zusammenfügen der Glasplatten vorzugsweise von der Verbundkunststoffschicht überdeckt. Die Anbringung der Verbundkunststoffschicht ist erheblich erleichtert, wenn in dieser kein Fenster zum Aufnehmen der Leiterplatte ausgespart ist, auf dessen korrekte Platzierung geachtet werden muss. Außerdem ist die Leiterplatte – insbesondere wenn sie sich nicht bis zum Rand der Verbundscheibe erstreckt und stattdessen die Verbundkunststoffschicht rings um die Leiterplatte an der ersten Glasplatte haftet – durch die Verbundkunststoffschicht gut vor Umgebungsfeuchtigkeit geschützt.
Um die Führungsstifte nach dem Zusammenfügen der Glasplatten zu stabilisieren, können in einem weiteren Verfahrensschritt c) die nach dem Einführen der Führungsstifte in den Durchgängen verbleibenden Leerräume ausgefüllt werden.
Zum Ausfüllen kann Lot verwendet werden, das unter Ausnutzung von Kapillarkräften selbsttätig in die Leerräume eindringen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine einfach und sicher zu fertigende Verbundglasscheibe zu schaffen.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch eine Verbundscheibe, insbesondere Kfz-Fensterscheibe, mit zwei Glasplatten und einer mit elektronischen Komponenten und Führungsstiften bestückten, zwischen den Glasplatten eingebetteten Leiterplatte, bei der die Führungsstifte eine an der Leiterplatte anliegende flache Stirnseite haben und an der Leiterplatte durch Lot befestigt sind.
Die Stirnseite sollte groß genug sein, um den Führungsstift stabil auf der Leiterplatte zu verankern und insbesondere ein Umkippen des Führungsstifts beim Einführen den zugeordneten Durchgang zu verhindern. Deswegen sollten die Kontaktstifte einen der Stirnseite zugewandten Kopf, an dem sich besagte Stirnseite befindet, und einen von der Leiterplatte abgewandten Schaft haben, der schlanker als der Kopf ist.
Um sicherzustellen, dass ein Führungsstift nicht nachträglich aus seinem Durchgang herausgezogen oder der Lötkontakt mit der Leiterplatte nicht durch eine auf den Schaft des Führungsstifts einwirkende Kraft beschädigt werden kann, kann der Querschnitt des Kopfes eines Kontaktstifts größer sein als der Querschnitt des den Schaft des Kontaktstifts aufnehmenden Durchgangs.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Verbundscheibe gemäß der Erfindung;
2 einen Schnitt durch den unteren Randbereich der Verbundscheibe gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
3a–c Schritte eines Verfahrens zur Fertigung der Verbundscheibe; und
4a–d weitere Schritte des Verfahrens.
1 zeigt aus der Perspektive eines Fahrers eine schematische Ansicht einer als Verbundscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Frontscheibe 1 und des darunterliegenden Armaturenbretts 2 eines Kraftfahrzeugs. In die Frontscheibe 1 sind, wie später noch genauer erläutert, Reihen 3, 4, 5 von LEDs 6 eingelassen. Die LEDs 6 sind Teil eines Einparkassistenten, der hier nicht in einer Figur gezeigt und nur insoweit beschrieben wird, wie dies zum Verständnis der Struktur der Verbundscheibe 1 hilfreich ist. Der Einparkassistent umfasst einen Umgebungssensor, zum Beispiel einen Radarsensor, der in der Lage ist, Abstand und Abmessungen von Hindernissen in der Nähe des Fahrzeugs zu erfassen und in Abhängigkeit vom Erfassungsergebnis die LEDs 6 so anzusteuern, dass die jeweils eingeschalteten LEDs aus der Blickrichtung des Fahrers vor dem erfassten Hindernis liegen, um so deutlich zu machen, aus welcher Richtung Gefahr droht, und anhand der Zugehörigkeit der eingeschalteten LEDs 6 zu den Reihen 3, 4, 5 bzw. der Farbe der eingeschalteten LEDs dem Fahrer den Abstand zum Hindernis zu signalisieren. So kann der Fahrer beim Einparken auch solchen Hindernissen zuverlässig ausweichen, die aus seiner Perspektive nicht sichtbar sind, z. B. weil sie von der Motorhaube verdeckt sind.
Natürlich können neben der Frontscheibe 1 auch weitere Scheiben des Fahrzeugs als Verbundscheiben mit eingebetteten LEDs ausgeführt sein, zum Beispiel können die Reihen 3, 4, 5 von LEDs 6 der Frontscheibe 1 in rechts und links angrenzende Seitenscheiben 7 hinein verlängert sein und eventuell auch LEDs auf dazwischenliegenden A-Säulen 8 umfassen, oder eine Heckscheibe des Fahrzeugs kann mit LEDs ausgestattet sein, um auch bei Rückwärtsfahrt eventuelle Hindernisse dem Fahrer signalisieren zu können.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen unteren Randbereich der Frontscheibe 1 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Die Frontscheibe 1 umfasst zwei Glasplatten, eine nach außen gewandte äußere Glasplatte 9 und eine der Fahrgastzelle zugewandte innere Glasplatte 10 sowie dazwischen eine Verbundschicht 11 aus einem zähen Kunststoff wie etwa Polyvinylbutyral (PVB), an der die Glasplatten 9, 10 flächig verklebt sind und die dazu dient, im Falle des Berstens einer der Glasplatten 9, 10 die entstehenden Bruchstücke zusammenzuhalten. Zwischen die Verbundschicht 11 und die innere Glasplatte 10 ist auf einem Teil von deren Ausdehnung eine flexible Leiterplatte 12 eingebettet, auf der sich quer zur Schnittebene die Reihen 3, 4, 5 von LEDs 6 erstrecken.
Die Leiterplatte 12 reicht nicht bis unmittelbar an eine in einer flexiblen Dichtung 13 eingefasste untere Kante 14 der Frontscheibe 1 heran. So ist die Leiterplatte 12 vor Niederschlagswasser, das unter Umständen in einen Spalt 15 zwischen der Unterkante 14 und der Dichtung 13 gelangen kann, durch die sich bis zur Kante 14 erstreckende und den Zwischenraum zwischen den Glasplatten 9, 10 dort vollständig ausfüllende Verbundschicht 11 geschützt.
Die Leiterplatte 12 ist mit mehreren Führungsstiften 17 versehen, die in Durchgänge 16 der inneren Glasplatte 10 eingreifen. Die Führungsstifte 17 sind aus Metall und sind jeweils mit einer Leiterbahn der Leiterplatte 12 elektrisch leitend verbunden. Einer dieser Führungsstifte 17 ist in 2 im Schnitt gezeigt. Um ihn zu kontaktieren, ist hier eine metallische Platte 18 durch eine Feder 19 gegen die aus der Verbundscheibe ins Fahrzeuginnere hinein vorspringende Spitze des Führungsstifts 17 angedrückt.
3a zeigt einen schematischen Schnitt durch die Leiterplatte 12. Die Leiterplatte 12 hat ein flexibles Substrat 20, z. B. auf Polyimidgrundlage, auf dem Leiterbahnen 21 – wie in der Fig. gezeigt in einer Ebene oder bei Bedarf in mehreren Ebenen – geführt sind. Eine isolierende Folie 22 überdeckt die Leiterbahnen 21. Die Folie 22 weist Öffnungen an Stellen 23, an denen eine – im Stadium der 3a lediglich aufgeklebte – Leuchtdiode 6 an die Leiterbahnen 21 angeschlossen werden soll, und an Stellen 24 auf, an denen ein Lötpad erzeugt werden soll.
3b zeigt die Leiterplatte 12 nach dem Durchlaufen eines Lötbades. Lot 25 haftet an den nicht von der Folie 22 bedeckten Stellen 23 und 24 der Leiterbahnen 21. An den Stellen 23 kontaktiert es die Leuchtdiode 6, an der Stelle 24 bildet es einen Lötpad 26, an dem im nächsten Schritt wie in 3c gezeigt ein Führungsstift 17 montiert wird.
Der Führungsstift 17 ist hier ähnlich einer Heftzwecke geformt, mit einem flachen Kopf 27 und einem Schaft 28. Er wird montiert, indem er in heißem Zustand gegen den Lötpad 26 gedrückt wird und dabei das Lot 25 anschmilzt.
Alternativ kann der Führungsstift 27 wie die Leuchtdiode 6 vor dem Durchgang durch das Lotbad auf dem Substrat 20 platziert und durch Klebstoff 29 provisorisch fixiert werden, um anschließend durch Lot, das zwischen Leiterbahn 21 und Kopf 27 eindringt, dauerhaft befestigt zu werden.
Die fertige Leiterplatte 12 wird als nächstes an der inneren Glasplatte 10 so platziert, dass die Spitzen der Führungsstifte 17 den Durchgängen 16 der inneren Glasplatte 10 gegenüberliegen. Um die Ausrichtung der Führungsstifte 17 auf die Durchgänge 16 zu erleichtern, können die Durchgänge 16 wie in 3c gezeigt konisch aufgeweitet sein.
Da die Oberfläche der inneren Glasplatte 10, an der die Leiterplatte 12 angebracht werden soll, konvex gewölbt ist, ist es problemlos möglich, die Spitzen der Führungsstifte 17 in die Durchgänge 16 einzuführen, bevor es an anderer Stelle zum Kontakt zwischen der Leiterplatte 12 und der Glasplatte 10 kommt.
Sobald es zu einem ersten Kontakt zwischen der flexiblen Leiterplatte 12 und der Glasplatte 10 kommt, neigt die Leiterplatte 12 dazu, sich an die Glasplatte 10 dicht anzuschmiegen und adhäsiv daran zu haften. Um bei der Anbringung der Leiterplatte 12 die Bildung von Falten zu vermeiden, wird wie in 4a gezeigt der erste Kontakt zwischen Leiterplatte 12 und Glasplatte 10 in unmittelbarer Nachbarschaft der Führungsstifte 17 hergestellt.
Bedingt durch die Anordnung der Leuchtdioden 6 in den langgestreckten Reihen 3, 4, 5 ist die Leiterplatte 12 hier streifenförmig, und die Führungsstifte 17 sind an einem Ende des Streifens angeordnet. Ausgehend von diesem Ende wird daher die Leiterplatte 12 nach und nach, z. B. durch Abrollen, mit der Glasplatte 10 in Kontakt gebracht.
Dabei kommen die Leuchtdioden 6 wie in 4b gezeigt mit ihren lichtemittierenden Oberflächen an der Außenseite der Glasplatte 10 zu liegen. Auch der Kopf 27 des Führungsstifts 17 kommt rings um den Durchgang 16 mit der Außenseite der Glasplatte 10 in Kontakt.
Um den Führungsstift 17 im Durchgang 16 zu stabilisieren, kann der Durchgang 16 nach Einführen des Führungsstifts 17 aufgefüllt werden, z. B. mit Lot 25.
Die Verbundscheibe wird fertiggestellt, indem wie in 4c gezeigt die Verbundschicht 11 zwischen der Glasplatte 9 einerseits und der Glasplatte 10 und der Leiterplatte 12 andererseits ausgebreitet wird, und dann die Glasplatten 9, 10 zusammengeführt werden, wobei die Verbundschicht 11 sich an die Glasplatten 9, 10 und die Leiterplatte 12 anschmiegt. Der so erhaltene Verbund (s. 4d) wird zunächst unter Vakuum gesetzt, um Restluft aus dem Zwischenraum zwischen den Glasplatten 9, 10 zu entfernen und schließlich unter Druck erhitzt, um die Verbundschicht 11 anzuschmelzen und an den Glasplatten 9, 10 und der Leiterplatte 12 zum Haften zu bringen.
Die Höhe der aus dem Einschluss der Leuchtdioden 6 und der Führungsstifte 17 resultierenden Vorsprünge 30 an der freiliegenden Oberfläche des Substrats 20 (s. 4b) ist kleiner als die Dicke der Verbundschicht 11. Indem beim Anschmelzen die Verbundschicht 11 dem Druck dieser Vorsprünge 30 lokal nachgibt, kommt ein vollflächiger Kontakt zwischen Leiterplatte 12 und Verbundschicht 11 zustande.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Frontscheibe
2: Armaturenbrett
3: Reihe
4: Reihe
5: Reihe
6: LED
7: Seitenscheibe
8: A-Säule
9: äußere Glasschicht
10: innere Glasschicht
11: PVB-Schicht
12: Leiterplatte
13: Dichtung
14: untere Kante
15: Spalt
16: Durchgang
17: Führungsstift
18: Platte
19: Feder
20: Substrat
21: Leiterbahn
22: Folie
23: Stelle
24: Stelle
25: Lot
26: Lötpad
27: Kopf
28: Schaft
29: Klebstoff
30: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015013469 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbundscheibe, insbesondere Kfz-Fensterscheibe, mit den Schritten: a) Montieren von Führungsstiften (17) und elektronischen Komponenten (6) an Leiterbahnen (21) einer Leiterplatte (12), b) Einfügen der Leiterplatte (12) zwischen eine erste und eine zweite Glasplatte (9, 10), wobei die Führungsstifte (17) in Durchgänge (16) der ersten Glasplatte (10) eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Führungsstifte (17) metallisch sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Schritt a) die Führungsstifte (17) und die elektronischen Komponenten (6) in einem gleichen Lötschritt montiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Schritt a) die Führungsstifte (17) heiß an einem Lötpad (26) der Leiterplatte (12) platziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) zunächst die Leiterplatte (12) auf der ersten Glasplatte (10) angebracht und dann mit der zweiten Glasplatte (9) abgedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in Schritt b) vor dem Herstellen eines Kontakts der Leiterplatte (12) mit der ersten Glasplatte (10) die Führungsstifte (17) in die Durchgänge (16) eingeführt und die Leiterplatte (12) ausgehend von den Durchgängen (16) auf der ersten Glasplatte (10) ausgebreitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Verbundkunststoffschicht (11) zwischen die Leiterplatte (12) und die zweite Glasplatte (9) eingefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in Schritt b) die Leiterplatte (12) von der Verbundkunststoffschicht (11) überdeckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt c) Ausfüllen der nach dem Einführen der Führungsstifte (17) in den Durchgängen (16) verbleibenden Leerräume.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Ausfüllen mit Lot (25) erfolgt.
Verbundscheibe, insbesondere Kfz-Fensterscheibe, mit zwei Glasplatten (9, 10) und einer mit elektronischen Komponenten (6) und Führungsstiften (17) bestückten, zwischen den Glasplatten (9, 10) eingebetteten Leiterplatte (12), bei der die Führungsstifte (17) eine an der Leiterplatte anliegende flache Stirnseite haben und an der Leiterplatte durch Lot (25) befestigt sind.
Verbundscheibe nach Anspruch 11, bei der die Kontaktstifte einen der Leiterplatte (12) zugewandten Kopf (27), an dem sich die Stirnseite befindet, und einen von der Leiterplatte (12) abgewandten Schaft (28) haben, der schlanker als der Kopf (27) ist.
Verbundscheibe nach Anspruch 12, bei der der Querschnitt des Kopfes (27) eines Führungsstifts (17) größer ist als der Querschnitt des den Schaft (28) des Kontaktstifts (17) aufnehmenden Durchgangs (16).