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 la fabrication et la manipulation des vitrages, induisant la fragilisation et l'apparition de fissures dans le vitrage, notamment au niveau des connecteurs. 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 le 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 la 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 les connecteurs, en particulier les conditions de tests de cycle en température (tests dits TCT pour « Température 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 les nouveaux tests de plus en plus rigoureux, il a été proposé d'utiliser des pâtes d'argent présentant certaines spécificités, notamment en termes de composition, d'épaisseur déposée et de résistivité, tes 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 l'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 surcoûts 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 la 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 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 le 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 μΩ.ατι. 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 la 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 la— 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 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 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 μιτι 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 entraîneraient 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 μΩ.αη, 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. 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 les 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 les phénomènes de fragilisation engendrés par la présence du système de connexion électrique. 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 le 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. Préalablement aux étapes de dépôt décrites ci-dessus, une couche d'émail noir peut avantageusement être déposée sur le 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 la 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 le 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 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 la zone de busbar et la zone 6a étant la 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, la 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 les 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 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 la zone au niveau de laquelle deux couches de pâtes conductrices métalliques sont superposées, cette zone de transition n'étant pas la zone de soudure. Le connecteur est positionné sur la zone 10a qui ne comprend qu'une seule couche de pâte conductrice métallique.