DE3543694A1 - Verfahren zum herstellen von kontaktbahnen auf substraten, insbesondere auf scheiben, und durch das verfahren hergestellte scheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kontaktbahnen auf Substraten, insbesondere auf Scheiben aus Mineralglas, mit einer elektrisch leitfähigen Flächen­ beschichtung, die auf der dem Substrat abgekehrten Seite mit mindestens einer Oberflächenschicht aus einem dielektrischen Material überzogen ist.

Die Produkte eines derartigen Verfahrens dienen, ins­ besondere dann, wenn die Substrate aus Mineralglas­ scheiben bestehen, häufig als Front- oder Heck­ scheiben von Kraftfahrzeugen. Die elektrisch leit­ fähige Flächenbeschichtung, die dabei meist aus einer dünnen Metallschicht mit hoher Transparenz im sicht­ baren Bereich des Lichtspektrums besteht, kann dabei als Heizwiderstand benutzt werden, um Vereisungen abzutauen und Niederschläge von Kondenswasser zu ver­ dampfen. Es ist daher erforderlich, die Widerstands­ schicht mit entsprechenden Anschlußkontakten zu ver­ sehen, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Heizstromes über die gesamte Substratfläche gewährleisten und eine örtliche Überhitzung im un­ mittelbaren Anschlußbereich verhindern.

Es ist insbesondere bei Automobilverglasungen zu­ sätzlich erwünscht, daß die Oberflächenbeschichtung den längerwelligen Teil des Spektrums des Sonnen­ lichts reflektiert, die sogenannte Wärmestrahlung. Diese Wärmestrahlung ist bei modernen Personenkraft­ wagen mit schrägstehenden und daher großflächigen Front- und Heckscheiben besonders unerwünscht, weil sie das Innere des Kraftfahrzeuges auf unerträgliche Temperaturen aufheizen kann.

Scheiben, darunter auch solche aus Mineralglas, mit einem entsprechenden spektralen Transmissions­ und Reflexionsverhalten sind durch die EP-PS 35 906, die DE-OS 33 07 661 und die EP-OS 1 04 870 bekannt. Bei den bekannten Scheiben ist eine Silberschicht, die auf einer oder auf beiden Seiten eine Diffusions­ sperre aus einer dünnen Metallschicht aufweist, zwischen zwei Oxidschichten eingeschlossen, von denen die eine eine Oberflächenschicht ist, die die metallischen Schichten gegenüber chemischen und/oder mechanischen Angriffen schützt. Während die metallischen Schichten, insbesondere die Silberschicht, eine ausreichende elektrische Leit­ fähigkeit aufweisen, um als Heizwiderstand dienen zu können (jedenfalls so lange, wie die Scheibe nicht auf Temperaturen oberhalb 150°C erwärmt wird), stellt die oxidische Oberflächenschicht einen ausgesprochenen Isolator dar, der die Kontaktierung der darunterliegenden Metallschicht bzw. Metall­ schichten verhindert. Es ist außerordentlich müh­ sam, die verhältnismäßig harte, oxidische Ober­ flächenschicht in einer definierten Dicke zu ent­ fernen, um die darunterliegende Metallschicht mit Kontaktbahnen versehen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Kontaktbahnen auf Substraten der eingangs beschriebenen Gattung anzu­ geben, das zu einer zuverlässigen und stabilen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Flächenbe­ schichtung führt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß da­ durch, daß man auf die Oberflächenschicht (aus einem dielektrischen Material) eine Edelmetallsuspension in einer Flüssigkeit nach Maßgabe des Verlaufs der Kontaktbahnen aufbringt und das Substrat einer Temperaturbehandlung bei mindestens 100°C aussetzt, bis durch die leitfähige Flächenbeschichtung mittels der Kontaktbahnen ein verminderter Gesamtwiderstand auftritt.

Derartige Edelmetallsuspensionen sind im Handel er­ hältlich, beispielsweise unter der Bezeichnung "Leitsilber 200" von der Firma Demetron in Hanau/BRD.

Es ist durch das Buch von Dr. A. F. Bogenschütz "Oberflächentechnik und Galvanotechnik in der Elektronik", Eugen G. Leuze Verlag in Saulgau/Württemberg, Ausgabe 1971, Seite 298, bekannt, pastöse Suspensionen von feinverteiltem Silberpulver in einer Lacksubstanz zu verwenden, um auf Isolierstoffen elektrische Kontakte herzustellen. Es ist durch die gleiche Literatur­ stelle auch bekannt, daß die Leitfähigkeit durch thermische Alterung noch wesentlich verbessert werden kann. Bei Leitsilber handelt es sich um in Lack kolloidal gelöstes Silber, das aufgestrichen und getrocknet wird. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, Silberpulver in einem Gießharz (Araldit) zu suspendieren, um die Haftfestigkeit zu verbessern.

Derartige Suspensionen sind auch für den erfindungs­ gemäßen Zweck geeignet. Es wurde jedoch beim Auf­ bringen einer solchen Edelmetallsuspension auf einem Schichtpaket der eingangs beschriebenen Gattung über­ raschend festgestellt, daß das Edelmetall, insbesondere das Silber, aufgrund der Temperaturbehandlung durch die dielektrische Schicht hindurch und in die elektrisch leitfähige Flächenbeschichtung (beispiels­ weise aus Silber) hineindiffundiert und mit den ge­ nannten Schichten eine innige Verbindung bzw. Ver­ zahnung eingeht, die nicht nur einen stabilen Strom­ übergang gewährleistet, sondern auch zu einer ausge­ zeichneten Haftfestigkeit der betreffenden Kontakt­ bahnen führt.

Es versteht sich, daß der thermische bedingte Diffusions­ prozeß um so schneller verläuft, je höher die Temperatur ist. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß bei etwa 100°C eine Untergrenze erreicht wird, unterhalb welcher der Diffusionsprozeß eine unwirtschaftlich lange Zeit in Anspruch nimmt. Der Diffusionsprozeß läuft jedoch in einer außerordentlich kurzen Zeit ab, wenn bei Verwendung eines Substrats aus Mineralglas die Temperaturbehandlung bei der Erweichungstemperatur des Mineralglases durchgeführt wird. Diese Erweichungs­ temperatur beträgt bei einem üblichen Float-Glas wie einem Natrium-Silikat-Glas 640°C.

Eine Temperaturbehandlung bei einer derart hohen Temperatur bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die gesamte Glasscheibe auch noch nach dem Aufbringen der Kontaktbahnen plastisch verformt werden kann, um eine Automobil-Scheibe in ihre end­ gültige, gegebenenfalls stark gewölbte Form zu bringen. Dieser Vorteil ist insbesondere bei der Herstellung von Verbundscheiben in Sandwich-Bauweise nicht zu unterschätzen. Bei derartigen Verbund­ scheiben befindet sich - ohne Lufteinschluß - zwischen zwei dünnen Scheiben aus Mineralglas eine zäh-elastische Zwischenlage aus einem Kunststoff (z.B. Polyvinylbutyrat). Die beiden (äußeren) Mineralglasscheiben werden im allgemeinen aufein­ anderliegend gemeinsam gebogen, was erfindungsgemäß auch mit dem vollständigen Schichtpaket und den Kontaktbahnen möglich ist, wobei das Schichtpaket und die Kontaktbahnen im Trennspalt zwischen den beiden Scheiben liegen. Es ist jetzt nur noch er­ forderlich - und dieser Verfahrensschritt ist Stand der Technik - zwischen die beiden Mineralglasscheiben die Zwischenlage aus dem zäh-elastischen Kunststoff einzubringen und die Scheiben durch einen thermischen Prozeß unter Vakuum miteinander zu verbinden. Es ver­ steht sich, daß hierbei vor dieser Verbindung die Kontaktbahnen auch noch mit Anschlußdrähten versehen werden können, die aus den beiderseitigen Scheiben­ rändern nach außen vorstehen.

Die Angabe, daß die Temperaturbehandlung so lange durchge­ führt wird, bis durch die leitfähige Flächenbeschichtung mittels der Kontaktbahnen ein verminderter Gesamtwiderstand auftritt, soll nicht ein Meß- oder Regelverfahren während der Herstellung definieren. Es kann sich auch um ein ab­ schließendes Meßverfahren handeln, durch das die Parameter (Temperatur und Zeitdauer) während der Temperaturbehandlung empirisch bestimmt werden. Dies bedeutet, daß der Übergangs­ widerstand zwischen den aufgebrachten Kontaktbahnen und der leitfähigen Flächenbeschichtung im Vergleich zum Widerstand der leitfähigen Flächenbeschichtung selbst vernachlässigbar klein geworden ist, und somit ein stabiler und gleich­ mäßiger Stromfluß gewährleistet ist.

Ohne eine solche ausreichende Temperaturbehandlung zeigt sich ein sehr instabiler Stromfluß durch die Anordnung sowie ein offenbar recht hoher Übergangswiderstand.

Um dabei eine möglichst gute Diffusion des Edelmetalls, insbe­ sondere des Silbers, durch die dielektrische Oberflächenschicht zu ermöglichen, wird in besonders vorteilhafter Weise für die Oberflächenschicht ein Oxid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Zinn, Zink, Indium, Tantal, Titan, Zirkon, Nickel und Chrom verwendet. Diese Metalloxide ermöglichen bereits eine ausreichende Diffusion auch dann, wenn die oxidische Oberflächenschicht durch Aufdampfen hergestellt worden ist. Sofern als Beschichtungsverfahren für die oxidische Ober­ flächenschicht ein reaktives Katodenzerstäubungsver­ fahren angewandt wird, was aus Gründen der Verfahrens­ führung vorzuziehen ist, kann die Gruppe der Oxide bzw. der oxidbildenden Metalle noch wesentlich er­ weitert werden, weil das Katodenzerstäubungsverfahren ganz offensichtlich zu einer Schichtstruktur führt, die für einen Diffusionsprozeß des Edelmetalls für die Kontaktbahnen besser geeignet ist. Auch dieser Vorteil des Katodenzerstäubungsverfahrens wurde über­ raschend festgestellt.

Die Erfindung betrifft auch eine transparente Scheibe mit einem Substrat mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Flächenbeschichtung, die auf der dem Substrat abgekehrten Seite mit einer Ober­ flächenschicht aus dielektrischem Material über­ zogen ist. Zur Lösung der gleichen Aufgabe sind auf der Oberflächenschicht mindestens zwei metallische Kontaktbahnen angeordnet, von denen ausgehend Metall­ atome durch Diffusion bis in die elektrisch leitfähige Flächenbeschichtung hineinreichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs­ gegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteran­ sprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch und insbesondere für die Kontaktierung von Scheiben, wie sie durch das Verfahren nach der nicht vorveröffent­ lichten DE-OS 35 43 178.4 hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine beheizbare Frontscheibe eines Personenkraftwagens,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Gegenstand von Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Verbund­ scheibe, und

Fig. 4 ein Diagramm über den zeitlichen Ver­ lauf der Änderung des Gesamtwider­ standes "Kontaktbahn - Dielektrikum - leitfähige Flächenbeschichtung - Dielektrikum - Kontaktbahn" durch zunehmende Dotierung der Dielektrika durch das Edelmetall aus der Suspension.

In Fig. 1 ist eine Scheibe 1 aus einem Mineralglas gezeichnet, wie es typischerweise für Kraftfahr­ zeug-Scheiben verwendet wird. Im Randbereich der beiden Schmalseiten sind zwei Kontaktbahnen 2 und 3 angeordnet, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden und mit nach außen führenden Anschlußdrähten 4 und 5 verbunden sind. Durch die Anordnung der Kontaktbahnen 2 und 3 wird erreicht, daß die dazwischenliegende Fläche im wesentlichen gleichmäßig vom Heizstrom durchflossen wird.

Die Anordnung muß nicht zwingend so ausgeführt sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Es sind auch andere geometrische Konfigurationen der Kontaktbahnen mög­ lich, wobei lediglich darauf zu achten ist, daß die gesamte Heizleistung in etwa gleichmäßig über die gesamte zwischen den Kontaktbahnen liegende Oberfläche verteilt wird.

In Fig. 2 ist ein Substrat 6 dargestellt, welches das tragende Element der gesamten Scheibe ist. Das Substrat 6 trägt zunächst eine erste Schicht 7, die aus einem oxidischen Dielektrikum, im vorliegenden Fall aus Zinnoxid besteht. Auf dieser Grundschicht be­ findet sich eine elektrisch leitfähige zweite Schicht 8, die auch aus mehreren metallischen Schichten zusammengesetzt sein kann, was der Einfachheit halber zeichnerisch nicht besonders hervorgehoben wird. Im vorliegenden Fall besteht die zweite Schicht 8 aus insgesamt drei Schichten, nämlich aus einer zentralen Silberschicht, die zwischen zwei Schichten geringer Dicke aus Nickel eingebettet ist. Die Schicht 8 ist elektrisch leitfähig, wobei die Leitfähigkeit durch einen Tempervorgang noch zunimmt. Es handelt sich hierbei um eine Flächenbeschichtung, die im wesent­ lichen die gesamte Oberfläche des Substrats 6 über­ zieht.

Auf der elektrisch leitfähigen Schicht 8 befindet sich wiederum eine dritte Schicht, nämlich eine Oberflächenschicht 9, die als Schutzschicht gegen mechanische und chemische Einflüsse dient. Die Oberflächenschicht 9 besteht ebenso wie die Schicht 7 aus Zinnoxid mit einer Dicke von etwa 30 nm. Auf diese Oberflächenschicht wurde eine streich- bzw. pinselfähige Edelmetallsuspension in einem Lösungs­ und Bindemittel ("Leitsilber 200") aufgebracht. Nach dem Trocknen und nach der Temperaturbehandlung bildete diese Edelsuspension die Kontaktbahn 2 (siehe auch Fig. 1).

Durch den thermischen Behandlungsprozeß ist das Metall der Kontaktbahn 2 durch Diffusion atomar bis in die elektrisch leitfähige Flächenbeschichtung 8 eingedrungen, was durch den gestrichelten Bereich zwischen der Kontaktbahn 2 und der Flächenbeschichtung 8 angedeutet ist. Durch diesen Diffusionsprozeß wird das ursprüngliche Dielektrikum bzw. Oxid mit dem Edelmetall der Suspension, im vorliegenden Fall mit Silber, dotiert, so daß ein Strom zwischen der elektrisch leitfähigen Flächenbeschichtung 8 und der Kontaktbahn 2 (und analog natürlich der Kontaktbahn 3) fließen kann. Die Kontaktbahnen können ihrerseits wieder mit den Anschlußdrähten 4 und 5 verbunden werden, beispielsweise durch einen Lötprozeß.

Fig. 3 zeigt eine Verbundscheibe, die durch Biegen einer Anordnung nach Fig. 2 hergestellt wurde. Zu diesem Zweck wurde das Substrat 6 mit seinem Schichtpaket 10, das hier stellvertretend für die Schichten 7, 8 und 9 nach Fig. 2 steht, sowie mit den Kontaktbahnen 2 und 3 gebogen, von denen hier nur die Kontaktbahn 2 dargestellt ist. Der Biegeprozeß erfolgte gemeinsam mit einer weiteren, unbeschichteten Scheibe 11, so daß die einander berührenden Oberflächen des Substrats 6 und der Scheibe 11 einen geometrisch praktisch identischen Verlauf haben. Das Schichtpaket 10 und die Kontakt­ bahnen 2 und 3 können hierbei vernachlässigt werden, da sie im Vergleich zur Dicke des Substrats 6 und der Scheibe 11 vernachlässigbar dünn sind. Zwischen dem Substrat 6 bzw. dessen Schichtpaket 10 und den Kontaktbahnen 2 und 3 einerseits und der Scheibe 11 andererseits befindet sich eine Folie 12 aus einem zäh-elastischen Kunststoff (Polyvenylbutyrat). Die freie Oberfläche 13 des Substrats 6 ist - bezogen auf den Fahrzeuginnenraum - Außenfläche oder Wetterseite, während die freie Oberfläche 14 der Scheibe 11 dem Fahrzeuginnenraum zugekehrt ist. Daraus ergibt sich, daß das Schichtpaket 10 sich auf der Innenseite der äußeren Scheibe bzw. des Substrats 6 befindet.

Beispiel:

Ein Substrat 6 gemäß Fig. 2 wurde nach dem Auf­ bringen der Schichten 7, 8 und 9 mittels Magnetron- Katoden in einer Katodenzerstäubungsanlage der Firma Leybold-Heraeus GmbH, Typ A 1100 Z3H/4 beschichtet und anschließend durch Aufstreichen einer Leitpaste des Typs "Leitsilber 200" nach Maßgabe des Flächenmusters in Fig. 1 mit zwei Kontaktbahnen 2 und 3 versehen. Im Anschluß daran wurde die gesamte Anordnung aus Substrat 6, den Schichten 7, 8 und 9 und den Leiterbahnen 2 und 3 in ebenem Zustand an Luft auf eine einheitliche Temperatur von 150°C aufgeheizt und für die Dauer von 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Während dieser Zeit wurde der Gesamtwiderstand zwischen den Kontaktbahnen 2 und 3 gemessen. Nach etwa 2 Minuten trat eine merkliche Abnahme des Gesamtwiderstandes zwischen den Kontaktbahnen 2 und 3 ein, wobei der Vorgang nach 20 Minuten zum Stillstand kam. Der zeitliche Verlauf der Widerstandsänderung ist in Fig. 4 dargestellt. Die hohen Werte (unterhalb von 4 Minuten) beinhalten die hohen Übergangswider­ stände zwischen den Kontaktbahnen (2, 3) und der leitfähigen Flächenbeschichtung (8), der horizontale Bereich steht im wesentlichen für den nicht mehr ver­ änderlichen Widerstand der Flächenbeschichtung (8). Beim Einlauf der Meßwerte in den horizontalen Bereich ist der Dotierungsprozeß im wesentlichen beendet und die Temperaturbehandlung kann abgebrochen werden.

Beispiel 2:

Das Beispiel nach Fig. 1 wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß das Substrat 6 mit den Schichten 7, 8 und 9 sowie mit den Kontaktbahnen 2 und 3 an Luft gleichmäßig auf eine Temperatur von 640°C aufge­ heizt und in der gleichen Hitze gebogen, d.h. plastisch verformt wurde. Die Verringerung des Gesamt­ widerstandes zwischen den Kontaktbahnen 2 und 3 erfolgte bereits vor Erreichen der Endtemperatur von 640°C, so daß davon auszugehen war, daß der Diffusions­ prozeß die elektrisch leitfähige Schicht 8 bereits vollständig erreicht hatte.

Die Kurvendarstellung gilt natürlich nur für ein be­ stimmtes Schichtensystem und eine bestimmte Behandlungs­ temperatur, sie hat jedoch für andere Schichtsysteme und Temperaturen einen ähnlichen oder analogen Verlauf.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Kontaktbahnen auf Substraten, insbesondere auf Scheiben aus Mineral­ glas, mit einer elektrisch leitfähigen Flächenbe­ schichtung, die auf der dem Substrat abgekehrten Seite mit mindestens einer Oberflächenschicht aus einem dielektrischen Material überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Ober­ flächenschicht eine Edelmetallsuspension in einer Flüssigkeit nach Maßgabe des Verlaufs der Kontaktbahnen aufbringt, und das Substrat einer Temperaturbehandlung bei mindestens 100°C aus­ setzt, bis durch die leitfähige Flächenbe­ schichtung mittels der Kontaktbahnen ein ver­ minderter Gesamtwiderstand auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Edelmetallsuspension eine silber­ haltige Suspension in einer bindemittelhaltigen Flüssigkeit verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Edelmetallsuspension mittels eines Sieb­ druckverfahrens aufbringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Oberflächenschicht das Oxid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Zinn, Zink, Indium, Titan, Tantal, Zirkon, Nickel, Chrom verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Substrat aus Mineralglas die Temperaturbehandlung bei der Erweichungstemperatur des Mineralglases durchgeführt wird.

6. Transparente Scheibe mit einem Substrat mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Flächenbeschichtung, die auf der dem Substrat abgekehrten Seite mit einer Oberflächenschicht aus dielektrischem Material überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberflächenschicht (9) mindestens zwei metallische Kontaktbahnen (2, 3) angeordnet sind, von denen aus­ gehend Metallatome durch Diffusion bis in die elektrisch leitfähige Flächenbeschichtung hinein­ reichen.

7. Transparente Verbundscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schichten (7, 8, 9) einschließlich der Kontakt­ bahnen (2, 3) auf der Innenseite der einen, die Verbundscheibe bildenden Scheiben (Substrat 6) angeordnet sind.