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CA 03029461 2018-12-28
WO 2018/020082 PCT/FR2017/000144
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VITRAGE MUNI D'UN DISPOSITIF CONDUCTEUR ELECTRIQUE AVEC ZONES DE
SOUDURE AMELIOREES
La présente invention porte sur un vitrage comprenant un élément de
connexion électrique, son procédé de fabrication et son utilisation dans le
domaine
des vitrages automobiles.
L'invention porte plus particulièrement sur un vitrage pour automobiles
équipé d'une fonction électrique, comme par exemple les vitrages chauffants ou
dégivrants ou encore les vitrages équipés d'antenne. Dans les vitrages
comprenant
des réseaux chauffants, des antennes ou d'autres capteurs, une série de bandes
étroites (également appelées pistes ) de résistance sont déposées sur la
surface
d'une feuille de verre, avant les opérations de bombage et/ou trempe, de sorte
que la cuisson de la composition électroconductrice puisse s'effectuer lors de
ces
opérations de mise en forme. La composition de la pâte électroconductrice est
faite d'une suspension pâteuse d'argent métallique et d'une fritte (c'est-à-
dire
d'un verre à bas point de fusion) dans un liant organique. Ces bandes de
résistance
débouchent sur des bandes collectrices plus larges, situées près des bords du
vitrage. Ces bandes collectrices, encore appelées barres omnibus, ou busbar
selon la terminologie anglo-saxonne couramment utilisée, sont généralement
faites
d'une composition identique à celle des bandes de résistance et sont déposées
simultanément et de la même façon.
Ces bandes sont connectées à un système d'alimentation électrique par
L'intermédiaire de connecteurs soudés à la pâte électroconductrice. La soudure
des
différents éléments entre eux est un point critique dans le procédé de
fabrication
de ce type de vitrages. En effet, en raison des différences entre les
coefficients
d'expansion thermique des matériaux utilisés aux points de soudure, des
tensions
apparaissent pendant ta fabrication et la manipulation des vitrages, induisant
la
fragilisation et l'apparition de fissures dans le vitrage, notamment au niveau
des
connecteurs.
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Les alliages de soudure utilisés jusqu'à présent étaient particulièrement
ductiles car à base de plomb, ce qui permettait de satisfaire aux tests
imposés par
les constructeurs, sans qu'apparaissent des fissures susceptibles de rendre te
vitrage non conforme à l'utilisation souhaitée. Une directive européenne
interdit
toutefois d'utiliser ces alliages à base de plomb et de nombreux travaux ont
été
réalisés afin de trouver d'autres alliages de soudure. Un bon compromis est
obtenu
avec des alliages comprenant de l'étain, de l'argent, et éventuellement du
cuivre.
Ces alliages possèdent à ta fois les bonnes propriétés permettant la soudure
et la
robustesse nécessaire pour passer les tests imposés jusqu'à présent par les
constructeurs automobiles.
Les tests de vieillissement réalisés sur tes connecteurs, en particulier les
conditions de tests de cycle en température (tests dits TCT pour Temperature
Cycling Test ) ont toutefois tendance à devenir beaucoup plus sévères.
L'objectif
de ces tests est de déterminer si le vitrage peut résister à des montées et
descentes en température successives et rapides, sans être fragilisé. Le
nouveau
test impose des variations de température entre - 40 C et + 105 C, donc sur
une
plage de variation plus importante que les tests précédents qui se limitaient
à
90 C. Le nombre de cycles est en outre passé de 10 à au moins 60. Enfin, les
tests
doivent être effectués sous une tension de 14V pendant les phases de montée en
température, ce qui entraîne des échauffements locaux supplémentaires, avec
des
températures locales qui peuvent aller approximativement jusqu'à 120 C. Les
températures plus élevées atteintes peuvent entraîner une expansion thermique
plus importante du connecteur et de l'alliage de soudure, ce qui conduit à des
sollicitations plus importantes de l'élément de connexion électrique dans son
ensemble.
La rigidité plus importante des alliages à base d'étain et d'argent entraîne
un plus grand transfert des contraintes vers le substrat, si bien que des
craquelures
ou fissures peuvent apparaître après ces tests plus sévères, rendant les
vitrages
non conformes.
Pour que les vitrages munis de connecteur et d'alliage de soudure sans
plomb puissent passer les critères imposés par tes nouveaux tests de plus en
plus
rigoureux, il a été proposé d'utiliser des pâtes d'argent présentant certaines
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spécificités, notamment en termes de composition, d'épaisseur déposée et de
résistivité, les fils du réseau chauffant et les zones de soudure étant faits
avec
cette pâte d'argent. Au niveau des zones de soudure, pour que les vitrages
munis
de connecteurs et d'alliage puissent passer les critères imposés par ces tests
sévérisés, il s'est révélé nécessaire d'utiliser deux couches successives de
pâte à
['argent: la première couche de pâte est celle reliée à l'ensemble du réseau
électrique et la seconde couche est celle qui assure une meilleure performance
mécanique après la soudure. Les deux couches sont ainsi superposées,
généralement sur une couche d'émail noir permettant de masquer l'ensemble. Les
contraintes imposées par le choix de pâtes d'argent présentant certaines
propriétés peuvent entraîner des surcouts liés aux spécificités particulières
de la
pâte.
L'invention a pour but de proposer un schéma de vitrage peu coûteux,
capable, dans le cas de l'utilisation d'alliages de soudure sans plomb, de
satisfaire
les exigences de plus en plus rigoureuses des constructeurs ou équipementiers
en
résistant aux tests TCT les plus sévères.
A cet effet, l'invention porte sur un vitrage constitué d'un substrat en verre
dont au moins une partie comprend un élément conducteur électrique constitué
de
pistes électroconductrices en pâte conductrice métallique formant le réseau
électrique et soudées à un connecteur par un alliage de soudure à base
d'étain,
d'argent et optionnellement de cuivre au niveau d'une zone de soudure, le
vitrage
comprenant une seule couche de pâte d'argent au niveau de la zone de soudure,
cette unique couche assurant le contact électrique de l'élément conducteur, la
pâte conductrice métallique du réseau électrique et ta pâte conductrice
métallique
au niveau de la zone de soudure étant des pâtes d'argent de composition
différente.
Contrairement aux systèmes de connexion électrique décrits dans l'art
antérieur qui comprennent deux couches superposées de pâtes conductrices
métalliques au niveau de la zone de soudure, le vitrage selon la présente
invention
ne comprend qu'une seule couche de pâte électrique conductrice.
Il devient ainsi possible de dissocier les pâtes conductrices métalliques
servant d'une part au réseau électrique dans son ensemble et d'autre part à la
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zone de soudure permettant d'assurer le contact électrique de l'élément
conducteur. On limite alors l'utilisation d'une pâte conductrice métallique
particulière à la zone de soudure exclusivement.
La pâte conductrice métallique au niveau de la zone de soudure est '
différente de la pâte conductrice métallique utilisée pour le reste du réseau
électrique. La composition de la couche de pâte conductrice métallique au
niveau
de la zone de soudure est donc différente de la couche de pâte conductrice
métallique utilisée pour l'ensemble du réseau électrique. Le choix de la pâte
conductrice métallique qui forme l'unique couche au niveau de la zone de
soudure
est donc effectué de façon à être compatible avec les connecteurs utilisés et
les
alliages de soudure sans plomb. Préférentiellement, la pâte d'argent au niveau
de
la zone de soudure comprend avant frittage entre 60 et 88% en poids d'argent,
et
après frittage, donc cuisson à une température comprise entre 550 C et 700 C,
entre 90 et 97% en poids d'argent, le reste étant de la fritte de verre.
La pâte conductrice métallique au niveau de la zone de soudure possède
avantageusement certaines spécificités permettant d'assurer une bonne
compatibilité entre l'alliage de soudure et te connecteur et ainsi limiter les
risques
de fissurations. Cette pâte est de préférence une pâte à base d'argent
possédant
une résistivité, mesurée à une température de 25 C, inférieure ou égale à 3,5
pacm. Ces valeurs se sont révélées particulièrement adaptées pour satisfaire
aux
exigences des tests TCT plus sévères. La composition de la pâte d'argent est
donc
avantageusement choisie pour atteindre ces valeurs de résistivité.
L'épaisseur de ta couche de pâte conductrice métallique au niveau de la
zone de soudure peut être différente de la couche de pâte conductrice
métallique
utilisée pour l'ensemble du réseau électrique.
De façon préférée, la couche de pâte conductrice métallique au niveau de ta
zone de soudure a une épaisseur comprise entre 5 et 20 pm, ladite épaisseur
étant
mesurée après frittage. Encore plus préférentiellement, cette épaisseur est
comprise entre 7 et 15 pm.
L'alliage utilisé pour souder le connecteur électrique à la piste
électroconductrice en argent est un alliage à base d'étain, d'argent et,
optionnellement, de cuivre, notamment un alliage à base d'étain, d'argent et
de
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cuivre. Il s'agit d'un alliage considéré comme sans plomb , répondant aux
normes imposées par la directive européenne. Avantageusement, l'alliage
comprend de 90 à 99,5% en poids d'étain, préférentiellement de 93 à 99% en
poids
et encore plus préférentiellement de 95 à 98% en poids d'étain. Il comprend
5 également de préférence, en plus de l'étain de 0,5 à 5 % en poids
d'argent et de 0
à 5% en poids de cuivre. L'alliage peut également comprendre du bismuth, de
l'indium, du zinc et/ou du manganèse. L'alliage de soudure est disposé sur les
parties inférieures du connecteur électrique. L'épaisseur de la couche
d'alliage de
soudure est de préférence inférieure ou égale à 600 pm et est encore plus
préférentiellement comprise entre 150 et 600 pm.
Le connecteur électrique est réalisé dans un matériau métallique et le choix
du métal utilisé peut être adapté en fonction de l'alliage de soudure
notamment.
Le connecteur peut être en cuivre. Pour des alliages de soudure sans plomb, il
est
toutefois de préférence en acier ou en titane, ces matériaux possédant des
coefficients d'expansion thermiques plus faibles que le cuivre. De façon
particulièrement préférée, le connecteur électrique est en acier inoxydable,
c'est-
à-dire en acier comprenant au moins 10,5% en poids de chrome. Ce type de
connecteur présente l'avantage d'être compatible avec les alliages de soudure
à
base d'étain, d'argent et de cuivre. Il faut en effet que les différents
matériaux
possèdent des coefficients d'expansion thermique qui permettent de les
utiliser
conjointement, sans risquer de générer des contraintes mécaniques trop
importantes qui entraineraient des zones de fragilité et la propagation de
fissures.
En combinaison avec une pâte d'argent possédant une résistivité, mesurée à une
température de 25 C, inférieure ou égale à 3,5 pQ.cm, les connecteurs en acier
inoxydable permettent d'atteindre de très bonnes performances aux tests TCT
les
plus sévères.
Le connecteur électrique a de préférence une épaisseur comprise entre 0,1
et 2 mm, plus préférentiellement entre 0,2 et 1 mm et encore plus
préférentiellement entre 0,3 et 0,8 mm. Il est positionné sur la zone de
soudure,
spécifiquement à l'endroit où il n'y a qu'une seule couche de pâte conductrice
métallique.
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Le connecteur possède éventuellement un revêtement ou couche de
mouillage à base de nickel, cuivre, zinc, étain, argent, or ou leurs alliages,
sur la
surface qui est contact avec l'alliage de soudure. De façon préférée, ce
revêtement est à base de nickel et/ou d'argent. L'épaisseur de ce revêtement
est
préférentiellement entre 0,1 pm et 0,3 pm pour du nickel et de 3 à 20 pm pour
de
L'argent.
Le connecteur électrique peut posséder sur sa face inférieure destinée à
être placée sur le substrat au moins deux plots ou au moins un espaceur qui
permettent de s'assurer que la liaison entre le connecteur et la couche
conductrice
en argent est correctement faite par l'intermédiaire de l'alliage de soudure
et
ainsi améliorer la qualité de la soudure.
Il va de soi que les différentes caractéristiques préférées décrites ci avant
peuvent être combinées entre elles, leurs combinaisons permettant d'atteindre
les
performances les plus élevées aux tests TCT tes plus sévères. Ces différentes
combinaisons ne sont pas listées pour des raisons de concision.
Le substrat sur lequel est placé le système de connexion électrique est de
préférence en verre, et plus particulièrement en verre plat, par exemple
fabriqué
par un procédé de flottage (ou procédé float ) dans lequel le verre fondu
est
déversé sur un bain métallique en fusion. Il peut par exemple être un verre en
quartz, un verre borosilicate, un verre aluminosilicate et/ou un verre
sodocalcique.
Le substrat peut également être de type polymérique, et peut comprendre du
polyéthylène, du polypropylène, du polycarbonate, du polyméthacrylate de
méthyle, du polystyrène, du polybutadiène, des polynitriles, du polyester, du
polyuréthane, du polychlorure de vinyle, des polyacrylates, du polyamide, du
polyéthylène téréphtalate et/ou leurs copolymères ou leurs mélanges. Le
substrat
est de préférence transparent. Il a une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 25
mm,
et de façon préférée entre 0,5 et 10 mm.
Le substrat peut être un verre trempé ou un verre non trempé. En utilisant
un verre trempé, on renforce la couche de surface qui devient donc plus
résistante,
ce qui permet de mettre en évidence plus facilement tes phénomènes de
fragilisation engendrés par la présence du système de connexion électrique.
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L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un vitrage tel
que décrit précédemment. Le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
- dépôt de pistes électroconductrices métalliques pour former le réseau
électrique
sur au moins une partie du substrat en verre,
- dépôt d'une seule couche de pâte conductrice métallique au niveau de la zone
de
soudure entre les pistes électroconductrices et le connecteur, les contacts
électriques s'effectuant au niveau de cette couche unique,
- éventuellement séchage des couches de pâtes conductrices métalliques,
- frittage des couches de pâtes conductrices métalliques, puis
- soudure du connecteur au niveau de la zone de soudure.
Le dépôt des pistes électroconductrices métalliques et de la couche de pâte
conductrice métallique au niveau de la zone de soudure sont réalisés par des
méthodes connues de l'homme de l'art. Les étapes de dépôt sont effectuées
préférentiellement par sérigraphie ou par impression digitale. Elles peuvent
également être effectuées par toute autre technique connue. Lorsque le dépôt
est
effectué par sérigraphie, des écrans de sérigraphie différents peuvent être
utilisés
pour le dépôt des pistes électroconductrices constituant le réseau électrique
et
pour le dépôt de la couche de pâte métallique conductrice au niveau de la zone
de
soudure. Le choix des écrans se fait notamment en fonction de l'épaisseur de
la
couche que l'on souhaite déposer sur le vitrage, et également en fonction de
la
composition de la pâte conductrice métallique.
L'étape de séchage des couches de pâtes conductrices métalliques est
optionnelle, en fonction de la technique utilisée pour le dépôt des couches.
Si le
dépôt est effectué par sérigraphie, il est souhaitable qu'une étape de séchage
des
couches ait lieu, de préférence à environ 150 C, avant l'étape de frittage.
Une
étape de séchage intermédiaire peut être également effectuée après l'étape de
dépôt des pistes électroconductrices métalliques formant le réseau électrique
et
avant te dépôt de la couche de pâte conductrice métallique au niveau de la
zone
de soudure. Lorsque le dépôt des couches conductrices est effectué par
impression
digitale, il n'est pas toujours nécessaire de sécher les couches conductrices
avant
l'étape de frittage.
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Préalablement aux étapes de dépôt décrites ci-dessus, une couche d'émail
noir peut avantageusement être déposée sur te vitrage, notamment aux endroits
des zones de soudure afin de les masquer et de les rendre invisibles. Là
encore, la
présence de cette couche d'émail est facultative.
L'étape de frittage est une étape de cuisson sous air à une température
comprise entre 550 C et 700 C pendant une durée variant de 2 à 10 minutes.
L'émail à base d'argent ainsi fritté se présente sous forme solide. Une fois
l'étape
de frittage réalisée, les cosses de contacts ou connecteurs peuvent alors être
soudées pour permettre l'alimentation électrique des fils conducteurs.
La soudure du connecteur sur la piste électroconductrice en argent peut être
réalisée par poinçonnage, par soudage par piston, par soudage par microflamme,
par soudage laser, par soudage sous air chaud, par soudage par induction, par
soudage résistif et/ou avec des ultrasons. On utilise dans ta présente
invention le
terme soudure pour parler indifféremment de brasure, de soudage ou de
soudure.
La présente invention porte également sur l'utilisation d'un vitrage
comprenant au moins un système de connexion électrique tel que décrit ci-
avant,
dans des bâtiments ou des véhicules, en particulier des véhicules automobiles,
des
véhicules ferroviaires ou des avions. Les vitrages sont notamment utilisés en
tant
que pare-brises, fenêtres latérales, lunettes arrière ou toit chauffants ou
équipés
d'une antenne ou de toute autre fonction électrique disposée sur ou dans le
vitrage.
Les figures ci-après illustrent l'invention. La figure 1 est un schéma de
connexion électrique classiquement utilisé dans le cas des soudures avec plomb
pour répondre aux tests de vieillissement. Les figures 2 à 4 sont des schémas
de
connexion électrique pour des vitrages selon la présente invention.
Le vitrage représenté sur la figure 1 est un vitrage 1 utilisé par exemple
comme une lunette arrière équipée de fils conducteurs 2 chauffants, utilisés
notamment pour te dégivrage. Un contour en émail noir 3 est déposé sur la
périphérie du vitrage pour masquer les zones de connexion électrique. Lors de
la
fabrication d'un tel vitrage, la première couche déposée est celle
correspondant au
contour 3, les fils chauffants 2 étant déposés ensuite sur ce contour. Deux
zones de
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soudure 4a et 4b et de connexion électriques sont représentées sur cette
figure et
sont agrandies. La zone 4a correspond à une zone de soudure sur laquelle sera
placé un connecteur de forme bouton , alors que dans la zone 4b, le
connecteur
sera de forme oblongue. Au niveau de la zone de soudure 4a, une couche de pâte
conductrice métallique 5a de même composition que celle des fils chauffants 2
est
déposée, sous la forme d'un disque de même forme que le connecteur. Cette
couche est ensuite recouverte d'une seconde pâte d'argent 6a qui possède les
caractéristiques nécessaires pour permettre le soudage avec l'alliage de
soudure et
le connecteur lui-même. Au niveau de la zone de soudure 4a, deux couches de
pâte
.. conductrice métallique 5a et 6a sont donc superposées, la zone 5a étant ta
zone de
busbar et la zone 6a étant ta zone de soudure du connecteur. Pour la zone de
soudure 4b, deux couches successives 5b et 6b de pâtes conductrices
métalliques
sont superposées en adaptant la forme de la zone de soudure à celle du
connecteur, ta zone 5b étant la zone de busbar et la zone 6b étant la zone de
soudure du connecteur.
La figure 2 représente un vitrage selon l'invention dans lequel les zones de
soudure 7a et 7b ne comprennent qu'une seule couche de pâte conductrice
métallique. L'unique couche 8a,8b qui est au niveau de la zone de soudure est
celle qui permet de faire le lien électrique avec tes fils chauffants 2 par
l'intermédiaire de la zone de busbar 2b correspondant à une pâte conductrice
métallique de même composition que celle utilisée pour les fils chauffants 2.
La figure 3 représente un autre schéma de connexion d'un vitrage selon la
présente invention. Dans cette configuration, la zone de soudure 9 comprend
une
partie constituée d'une unique couche 9a de pâte métallique conductrice, cette
.. partie étant en contact direct pour assurer le lien électrique avec une
bande de la
pâte conductrice utilisée pour les fils chauffants 2. Le connecteur est
positionné
sur la partie 9a qui ne comprend qu'une seule couche. La zone de transition 9b
située autour de la partie 9a est la seule zone dans laquelle deux couches de
pâtes
conductrices métalliques sont superposées. Cette zone de transition ne
correspond
.. pas à la zone de soudure sur laquelle sera positionné le connecteur.
La figure 4 représente encore un autre schéma de connexion électrique d'un
vitrage selon l'invention dans lequel la zone de soudure 10 ne comprend qu'une
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seule couche de pâte conductrice métallique 10a déposée directement sur la
couche d'émail noir du contour 3. De la même façon que sur la figure 3, la
zone de
transition 10b est ta zone au niveau de laquelle deux couches de pâtes
conductrices
métalliques sont superposées, cette zone de transition n'étant pas la zone de
5 soudure. Le connecteur est positionné sur la zone 10a qui ne comprend qu'une
seule couche de pâte conductrice métallique.
