DE20019445U1

DE20019445U1 - Transparentes Substrat mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen

Info

Publication number: DE20019445U1
Application number: DE20019445U
Authority: DE
Original assignee: Sekurit Saint Gobain Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2010-11-17

Description

Transparentes Substrat

mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen

Die Erfindung bezieht sich auf ein transparentes Substrat mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.

Seit Jahren sind auf Glasscheiben aufgebrachte Leiterbahnen bekannt, die sowohl als Heizleiter als auch als Antennenleiter dienen können. Sie können ferner als Ruhestromleiter für Alarmauslösung (&ldquor;Alarmschleife") bei Zerstörung der Glasscheibe eingesetzt werden. Zumeist werden sie mit dem Siebdruckverfahren hergestellt. Als Material verwendet man im allgemeinen Pasten mit einem hohen Anteil an metallischem Silber (60 bis %, bezogen auf die Feststoffe), wie sie z. B. aus EP-A1-0 712 814 bekannt sind. Auch aus EP-A1-0 079 854 ist eine für den Siebdruck von Leiterbahnen auf Glas geeignete Überzugsmasse bekannt, die einen Silberanteil von 45 bis 90 Gewichtsprozenten metallisches Silber enthalten kann. Dort wird auch eine sehr geringe Größe der Silberpartikel von 1,0 pm und weniger beschrieben.

Es ist auch bekannt (DE-A-1 796 310), Leiterbahnen an Stelle des Siebdruckens durch direktes Extrudieren von dünnen Fäden einer leitfähigen Einbrennpaste auf die Oberfläche einer Glasscheibe aufzubringen.

Die Leiterbahnen sind nach dem Einbrennen -das in der Regel mit dem Aufheizen der Glasscheiben vor dem Biegen und/oder Vorspannen einhergeht- mechanisch hinreichend widerstandsfähig, so dass man sie auf einer freiliegenden Glasoberfläche, z. B. von Einscheiben-Sicherheitsglas, anordnen kann. Vom zusätzlichen Galvanisieren der Leiterbahnen ist man aus Gründen der Umweltbelastung immer mehr abgegangen. Verbreitet werden solche Glasscheiben als beheizbare Heckscheiben in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die vorgenannten Druckschriften machen keine Angaben über die Breite der so erzeugten Leiterbahnen. In der Praxis sind mit herkömmlichen Mitteln durch Siebdrucken industriell produzierbare Leiterbahnen auf Glas nach dem Einbrennen zwischen 0,4 und 1,2 mm breit, wobei ihre Erhebung über dem Glas von den Querschnitten abhängt, welche bei einem gegebenen ohmschen Widerstand pro Quadrateinheit zum Durchleiten der Heizströme und zum Erzeugen der elektrischen Nenn-Heizleistung benötigt werden. Wenn

L:\SCHUPO\lOG\VETEXTEWE96'i GMtdec* * *

VE 964 GM

sich diese Leiterbahnen über das Sichtfeld einer Fensterscheibe erstrecken, werden sie optisch von außen und von innen deutlich wahrgenommen.

Man kennt auch schon Siebdruckschablonen mit über ihre Fläche unterschiedlicher Struktur (DE-A1-32 31 382, DE-A1-35 06 891). Beim Herstellen der sogenannten Stromsammelschienen von elektrisch heizbaren Fahrzeugscheiben werden mit diesen Schablonen dickere und breitere Pastenaufträge in einem einzigen Arbeitsgang (ohne mehrfaches Drucken) möglich. Man verhindert damit bei dem dort insgesamt fließenden höheren Strom eine unzulässige Aufheizung. Die Fahrzeughersteller fordern maximale Temperaturen von weniger als 50 ⁰C in diesen Sammelschienen-Bereichen -bei normalen Umgebungstemperaturen-, bei einer elektrischen Heizleistung bis zu 450 WattJDie genannten Zahlenbeispiele beziehen sich auf die bei Personenkraftfahrzeugen übliche Nenn-Gleichspannung von ca. 11 -14 V.

Es sind demgegenüber auch Antennen- und heizbare Glasscheiben bekannt, bei denen die Leiterbahnen durch wenige Mikrometer dünne Wolfram-Drähte gebildet werden. Zwar müssen diese in einem Trägermedium, z. B. in einer Klebefolie einer Verbundglasscheibe, eingebettet werden, weil es nicht möglich ist, die einzelnen Drähte auf einer Glasoberfläche hinreichend sicher zu befestigen. Jedoch sind diese Drähte wesentlich dünner und allein dadurch optisch weniger auffällig als die bislang produzierten aufgedruckten Leiterbahnen.

Von der Fahrzeugindustrie wird an die Hersteller von beheizbaren Autoglasscheiben die Forderung herangetragen, jedenfalls für den Einsatz in höherwertigen Fahrzeugen optisch weniger auffällige Leiterbahnen auf Glasscheiben aus Einscheiben-Sicherheitsglas zu produzieren.

Es soll deshalb ein mit optisch weniger auffälligen Leiterbahnen in Siebdrucktechnik versehenes transparentes Substrat angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegenstandes an.

Eine derart signifikante Verringerung der Breite bzw. der Flächenabmessungen der aufgedruckten Leiterbahnen auf weniger als 0,3 mm Breite wurde geschaffen, indem eine in an sich bekannter Weise leitfähige hoch thixotrope Einbrenn- bzw. Siebdruckpaste mit guten Fließeigenschaften bei hohem Schergefälle und mit sehr kleinen Partikeln mit einem besonders feinmaschigen Sieb gedruckt wird.

VE 964_GM

Mit Thixotropie bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter viskoser Medien, also z. B. Siebdruckpasten, sich bei Einwirken mechanischer Kräfte (z. B. Schub- oder Scherspannung) zu verflüssigen und sich nach Beendigung der mechanischen Belastung mehr oder weniger rasch wieder zu verfestigen. Als Maß für die Thixotropie eines Materials lässt sich das Verhältnis seiner Viskosität ohne mechanische Belastung (&ldquor;Ruheviskosität") zu der Viskosität bei Druckscherung (&ldquor;Lastviskosität") verwenden. Diese Kennwerte sind für verschiedene Materialien unter stets gleichen Messbedingungen mit verschiedenen Theologischen Messverfahren zu ermitteln (z.B. mit Rheometer CARRIMED CSL 100 ). Für hoch thixotrope Materialien wurden Werte zwischen 50 und bis zu 1000 für das besagte Verhältnis ermittelt, während die Werte für wenig oder nicht thixotrope Materialien unter gleichen Messbedingungen im Bereich 2 bis 10 liegen.

Die verwendete Paste darf auch bei hoher mechanischer Belastung während des Siebdruckens nicht ihre innere Kohäsion verlieren, damit stets zusammen hängende Leiterbahnen gedruckt werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Rückverfestigung der hoch thixotropen Materialien. Insbesondere beim Siebdrucken wird gefordert, dass sich die Paste unmittelbar nach dem Abheben des Drucksiebs vom Substrat so weit verfestigt, dass sie nicht mehr fließt. Gerade hoch thixotrope Pasten wie die hier verwendeten müssen einen sehr großen Viskositätssprung in kürzester Zeit leisten können, wenn sie den Anforderungen gerecht werden sollen und wie gefordert feine, saubere Druckbilder erzeugen lassen.

Die Leitfähigkeit der erzeugten schmalen Leiterbahnen ist für Verwendungen als Alarmschleifen oder Antennenleiter nicht von vorrangiger Bedeutung. Dort kann man mit relativ geringen Anteilen leitfähiger Stoffe, insbesondere Silberanteilen (wenigstens etwa 50 %, ggf. noch deutlich weniger, abhängig z. B. von den Einsatzbedingungen und der Betriebsspannung) in der Einbrennpaste arbeiten. An Stelle des meist in Siebdruckpasten verwendeten Silbers könnten natürlich auch andere leitfähige Stoffe treten, wenn diese die Druckfähigkeit der Paste und die Standzeit der eingebrannten Leiterbahnen nicht negativ beeinträchtigen. Bei Verwendung solcher anderer Materialien, wie z. B. Kupfer, Gold, werden ferner die hier für Silber genannten prozentualen Anteile in der Paste nicht immer zutreffen. Sie sind fallweise zu ermitteln, wobei in der Regel die nach dem Einbrennen vorliegende Leitfähigkeit der schmalen Leiterbahnen das entscheidende Kriterium ist.

Wird ein niedriger Widerstand der schmalen Leiterbahnen, z. B. zur Herstellung von Heizleitern, gefordert, können solche thixotropen Pasten mit sehr hohen Silbergehalten von

LASCHUPO\LOGWETEXTEWE964ttwi<J:··*

· i &idigr; &idigr; &Idigr;

VE 964_GM

% und mehr hergestellt und verwendet werden. In Folge des erhöhten Silberanteils der Paste genügen die Querschnitte bei einer Breite der einzelnen Leiterbahn von weniger als 0,25 mm nach dem Einbrennen noch immer den Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit insbesondere bei Einsatz der Leiterbahnen als Heizleiter, ohne die Temperatur bei Nennleistung über die zugelassenen Werte ansteigen zu lassen.

Versuchsweise wurden Heizscheiben nach der Erfindung und mit demselben Layout -d. h. dieselbe Anordnung, Anzahl und dieselben Abstände der Leiterbahnen im Heizfeld- wie bei einer Serien-Heizscheibe hergestellt. Man erzielte trotz der signifikant schmaleren Leiterbahnen, die in Einbaulage der betreffenden Scheibe optisch kaum noch wahrnehmbar sind, eine mit den üblichen siebgedruckten Leiterbahnen bzw. Heizfeldern vergleichbare Heizleistung. Dennoch kann die Erhebung der Heizleiter über der Glasoberfläche gering gehalten werden. Bei mit der hier beschriebenen Technologie ausgeführten Heizleitern lag die maximale Erhebung über der Glasfläche bei ca. 25 pm, während konventionelle Heizleiter ca. 12 pm hoch sind, jeweils nach dem Einbrennen gemessen. Die relativ große maximale Erhebung ist unter anderem wegen der raschen Rückverfestigung der verwendeten hoch thixotropen Pasten nach dem Drucken herstellbar.

Wie weitere Versuche bestätigten, kann man sogar weitgehend darauf verzichten, bei unterschiedlichen Längen der Heizleiter auf der Scheibe -oftmals sind infolge des trapezförmigen Scheibenumrisses die oben liegenden Leiterbahnen deutlich kürzer als die zur Unterkante der Scheibe hin gelegenen- unterschiedliche Querschnitte zum Ausgleichen des Gesamtwiderstandes vorzusehen. In Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Produkten und den Materialien dazu konnten bei gleicher Breite aller Leiterbahnen unabhängig von deren Länge optisch keine Unterschiede in der Gleichmäßigkeit der Heizleistung festgestellt werden. Dies dürfte eine Wirkung des deutlich geringeren elektrisehen Widerstands in Folge des höheren Silbergehalts sein. Auch wurden mühelos die höchst zulässigen Temperaturwerte an den Sammelschienen eingehalten, sogar um ca. 15 % unterschritten, ohne dort besonders dicke Aufträge der hoch leitfähigen Siebdruckpaste vorsehen zu müssen.

Bei einer Massenproduktion solcher Glasscheiben kann eine deutliche Ersparnis an Siebdruckpaste erwartet werden, wobei allerdings der geringere Verbrauch durch einen höheren Preis wegen des höheren Silbergehalts zumindest teilweise kompensiert wird. Die geringe optische Auffälligkeit solcher Leiterbahnen kann auch deren Einsatz auf anderen Fahrzeugscheiben fördern, z. B. auf feststehenden oder beweglichen Seitenscheiben.

L:\SCHUPO\LOGWETEXTE\VE9M.^iA.S8<r'

VE 964_GM

Nach bevorzugter Ausführung der hoch thixotropen Paste sind darin praktisch ausschließlich Partikel von höchstens 20 pm Korngröße, vorzugsweise von < 12 pm Korngröße und noch kleiner enthalten, bei einem Silbergehalt von 88 % und mehr.

Als für die Zwecke der Erfindung brauchbar stellte sich das Produkt H 669 von DuPont (entspricht der Produktnummer DuPont 7890) heraus, welches einen Anteil von ca. 92 % Silber + Glasfritte sowie eine Restmenge von ca. 8 % organischer Stoffe als Emulgatoren enthält. Seitens des Herstellers bestanden jedoch Zweifel an deren Verwendbarkeit als Siebdruckpaste für schmale Leiterbahnen in den hier in Frage kommenden Anwendungen.

Für die genannte DuPont-Paste wurde ein Verhältnis der Ruheviskosität zur Lastviskosität von ca. 1000 gemessen, während für eine andere Paste (Cerdec SP 1409) bei gleichen Messbedingungen ein Verhältnis von 10 gemessen wurde. Zugleich war die Rückverfestigung der DuPont-Paste erheblich schneller als die des anderen Produkts.

Mit einer geeigneten Abstimmung der weiteren Parameter für das Siebdruckverfahren, nämlich Sieblayout und -absprung, Rakelprofil und -geschwindigkeit konnte diese Erwar- : tung jedoch widerlegt werden. Das bedeutet, dass künftig möglicherweise auch noch feiner gekörnte thixotrope Pasten mit Korngrößen deutlich unter 10 pm für den hier beschriebenen Zweck verwendet werden können, von denen man das bisher nicht angenommen hatte.

Man hat für die Herstellung von Glasscheiben mit Leiterbahnen von weniger als 250 pm Breite eine sogenannte Hibond-Siebdruckseide (Hersteller: Firma Saati S.p.A., Appiano Gentile, Italien) des Typs 95 PW verwendet, wobei die Zahl 95 für die Anzahl von Fäden pro cm Gewebe und die Buchstaben PW als Code-Bezeichnung für Leinenbindung, Fadendicke etc. stehen. In der Fachwelt ist als Code-Bezeichnung für die Fadendicke auch der Buchstabe T zusammen mit einer Zahlenangabe für die Anzahl von Fäden pro cm gebräuchlich. Die Maschenweite hängt direkt sowohl von der besagten Fadendichte als auch von der Dicke der einzelnen Fäden ab. Bei der genannten Siebdruckseide beträgt die Fadendicke etwa 40 pm und die Maschenweite etwa 65 pm.

Im Vergleich mit konventionellen Geweben ist der Kontaktwinkel von Wassertropfen auf diesen Hibond-Geweben wesentlich kleiner. Dieser Effekt wird durch eine spezielle Behandlung oder Beschichtung der Oberflächen der Gewebefäden erzielt, die zum Know-How des Herstellers gehört. Als nützliche Folge löst sich auch die Siebdruckpaste ungeachtet der wesentlich geringeren freien Querschnitte in der Siebbeschichtung gut aus den

L:\SCHUPO\LOG\VETDCTEWE964i<M.<lot*·* .**. .**, ··

VE 964 GM

Maschen des Drucksiebs aus. Damit wird neben einer zufriedenstellenden Ausbeute und einem relativ hohen Naßauftrag der Paste insbesondere eine hohe Präzision der aufgedruckten Leiterbahn-Querschnitte erzielt.

Die Siebbeschichtung wurde für Versuchszwecke zwischen 10 und 30 pm dick eingestellt. Sie kann jedoch bei Bedarf auch deutlich dicker sein. Als Siebbeschichtung bezeichnet man eine Schicht aus einer Fotoemulsion (Kunststoff-Material), aus der auf der Grundlage des überall gleichmäßig durchlässigen Siebgewebes die eigentliche Druckmaske fototechnisch hergestellt wird. Die eigentliche Herstellung des Druckmusters der Siebdruckmaske wird hier jedoch als bekannt voraus gesetzt. Die Dicke der Beschichtung ist jedenfalls zusammen mit der Dicke der Fäden des Trägergewebes und dem Druck der Rakel auf das Sieb maßgeblich für die Erhebung der aufgedruckten Muster bzw. Leiterbahnen über der Substratoberfläche.

Die üblichen Rakel haben eine rechteckige und spitzkantige Druckkante, mit der die Paste durch das Sieb gedruckt und auf die darunter liegende Oberfläche aufgedruckt wird. Es hat sich gezeigt, dass zum Zweck der Erfindung bevorzugt eine modifizierte Druckkante mit einer gewissen Keilwirkung verwendet wird. Man hat noch keine Erklärung für die Wirkung einer Anschrägung oder Abrundung der Druckkante für diese spezielle Konfiguration, es ist aber anzunehmen, dass eine Wechselwirkung mit der Thixotropie -d. h. Viskositätsrückgang bei Erhöhung der auf das thixotrope Medium einwirkenden Schubspannungder Siebdruckpaste besteht.

Die Rakeldruckgeschwindigkeit wurde gegenüber herkömmlichen Produktionen geringfügig herabgesetzt. Das ergibt sich aber grundsätzlich aus der Notwendigkeit, die Paste durch gegenüber bekannten Drucksieben stark verringerte Kanalquerschnitte in der Siebbeschichtung zu drucken. Ferner wurde der Siebabsprung -d. h. der Abstand zwischen der frei gespannten Siebdruckschablone und dem zu bedruckenden Substrat, also der Glasscheibe- modifiziert.

Mit diesen Materialien und Abmessungen ist ein spezifischer Widerstand von < 2,5 mQ pro Quadrateinheit (bzw. von < 2,5 &mgr;&OHgr; * cm) nach dem Einbrennen erreichbar.

Auch hinsichtlich der Abriebfestigkeit wurde festgestellt, dass die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterbahnen nahezu gleiche Eigenschaften wie die wesentlich breiteren üblichen Leiterbahnen aufweisen. Man erklärt sich das mit einer Versinterung der in der Druckpaste vergleichsweise dicht gepackten, aneinander stoßenden Silberpartikel beim Einbrennvorgang.

L:\SCHUPOU.OGWETEXTEWE94lG/Ji.<Jk! *

VE 964_GM

Als Ausführungsbeispiel wird hier ohne zeichnerische Darstellung die Herstellung des Siebdruckmusters einer heizbaren Heckscheibe für das aktuelle Modell des VW Golf beschrieben.

Als Siebdruckpaste wurde das Produkt H 669 der Firma DuPont verwendet. Es enthält nur Körner mit einer Größe von 10 pm und weniger. Zum fototechnischen Herstellen der Siebdruckschablone wurde mit einer Diavorlage entsprechend dem bekannten Serienlayout nach Kundenvorgabe gearbeitet, die allerdings für den Druck der besonders schmalen Leiterbahnen hinsichtlich der freien Durchdruck-Querschnitte und des Verhältnisses zwischen freier und bedruckter Oberfläche neu berechnet werden musste. Als Siebgewebe wurde die bereits erwähnte Siebdruckseide des Typs 95 PW verwendet, die mit einer Dicke von 16 pm in der üblichen Weise beschichtet wurde.

Die Druckrakel hatte eine Härte von 65 Shore A in der Gummilippe und einen Kantenschliff von 45 ° bei einer Schlifftiefe von 0,2 mm. Beim Bedrucken des ebenen Zuschnitts der Glasscheibe wurden ein Siebabsprung von 10 mm und eine Druckgeschwindigkeit von 0,35 m/s eingestellt. Mit diesen Daten wurde eine gebogene und vorgespannte heizbare Glasscheibe hergestellt, die bei gleichem Layout des Siebdrucks wie die Serienscheibe wesentlich weniger auffällige Leiterbahnen aufweist und trotzdem nach dem Biegen und Vorspannen der Glasscheibe und dem damit einher gehenden Einbrennen der schmalen Leiterbahnen nebst den Stromsammeischienen vergleichbar gute elektrisehe Leistungen zeigt wie das Serienpendant, ohne die zulässigen Temperaturen insbesondere in den Stromsammeischienen zu überschreiten.

L:\SCHUPO\LOG\VETEXTEWE964i<J(i(.doi * * '

Claims

1. Transparentes Substrat mit einem Muster aus elektrisch leitfähigen Leiterbahnen, welches durch Siebdrucken einer elektrisch leitfähigen Einbrennpaste auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Breite der Leiterbahnen weniger als 0,3 mm, insbesondere weniger als 0,25 mm beträgt.

2. Substrat, insbesondere beheizbare Glasscheibe, nach Anspruch 1, dessen aufgedruckte Leiterbahnen einen Flächenwiderstand von < 2,5 mΩ pro Quadrateinheit aufweisen.

3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dessen aufgedruckte Leiterbahnen sich zwischen 5 und 25 µm über der bedruckten Oberfläche erheben.

4. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere Antennen- oder Alarmglasscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruckpaste einen Silberanteil von mindestens 50% enthält.

5. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruckpaste einen Silberanteil von mehr als 80% enthält.

6. Substrat nach Anspruch 5, dessen Leiterbahnen aus einer Siebdruckpaste mit einem Silberanteil von mindestens 88% und einer maximalen Partikelgröße von 12 µm bestehen.

7. Substrat nach Anspruch 5 oder 6, mit mindestens zwei Stromsammelschienen, zwischen denen sich die weniger als 0,3 mm breiten Leiterbahnen erstrecken, wobei bei eingeschalteter Versorgungsspannung und Nenn-Heizleistung die Temperatur im Bereich der Stromsammelschienen 50°C bei normaler Umgebungstemperatur nicht übersteigt.

8. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Leiterbahnen unabhängig von ihrer Länge sämtlich gleich breit sind.

9. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche in Gestalt einer vorgespannten, insbesondere gebogenen Glasscheibe mit auf wenigstens einer von deren Oberflächen eingebrannten Leiterbahnen.