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TWI694976B - 一種低氣泡數之低介電常數玻璃組成物及玻璃纖維 - Google Patents

一種低氣泡數之低介電常數玻璃組成物及玻璃纖維 Download PDF

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Abstract

一種玻璃組成物包含52wt%至58wt%的SiO 2、12wt%至16wt%的Al 2O 3、16 wt%至26wt%的B 2O 3、大於0 wt%至2wt%以下的MgO、1 wt%至6wt%的CaO、大於1wt%至小於5wt%的TiO 2、大於0 wt%至0.6wt%以下的Na 2O、0 wt%至0. 5wt%的K 2O、0 wt%至1wt%的F 2、1wt%至5wt%的ZnO、大於0wt%至1wt%以下的Fe 2O 3，及0.1wt%至0.6wt%的SO 3。本發明另提供一種包含該玻璃組成物的玻璃纖維。該玻璃組成物具有不錯的抽絲成型視窗。該玻璃纖維具有較低的介電常數、介電正切損耗及氣泡數目。

Description

一種低氣泡數之低介電常數玻璃組成物及玻璃纖維
本發明是有關於一種玻璃組成物及玻璃纖維，特別是指一種能夠形成具有低介電性質及低氣泡數的玻璃纖維的玻璃組成物，及由該玻璃組成物所製得的玻璃纖維。
為了滿足5G電子產品的高傳輸速度以及降低訊號失真的需求，在印刷電路板中用於增強機械強度兼具絕緣的玻璃纖維布，還需要具有低介電常數及低介電正切損耗的低介電特性。然而，當前應用在印刷電路板的E玻璃組成物(介電常數約為6.5至7.0)及其玻璃纖維未能滿足低介電特性的需求。所以開發具有低介電常數的玻璃組成物及玻璃纖維是該產業重要的研究議題。但是，為了滿足低介電特性的需求，將導致低介電常數玻璃組成物熔融時的黏度變高而不易澄清，致使玻璃內殘存的氣泡數較多，繼而造成玻璃纖維含有氣泡而為中空結構的機率提高。當此種中空結構的玻璃纖維被使用在印刷電路板時，在電壓驅動下，金屬離子可以沿著玻璃纖維的中空結構遷移，使得原本應為絕緣的玻璃纖維產生可以 導通的路徑，造成印刷電路板的電器短路，也就是導電性陽極絲(Conductive Anodic Filament，簡稱CAF)的現象。
有鑑於現有技術仍存有上述問題，如何使玻璃纖維具有低介電常數，且還能使玻璃纖維內的氣泡數目降低，進而避免印刷電路板易發生短路的問題，為本發明所亟欲解決之問題。
因此，本發明的第一目的，即在提供一種可以改善先前技術的至少一個缺點的玻璃組成物。
於是，本發明玻璃組成物包含52wt%至58wt%的SiO2、12wt%至16wt%的Al2O3、16wt%至26wt%的B2O3、大於0wt%至2wt%以下的MgO、1wt%至6wt%的CaO、大於1wt%至小於5wt%的TiO2、大於0wt%至0.6wt%以下的Na2O、0wt%至0.5wt%的K2O、0wt%至1wt%的F2、1wt%至5wt%的ZnO、大於0wt%至1wt%以下的Fe2O3，及0.1wt%至0.6wt%的SO3。
因此，本發明的第二目的，即在提供一種可以改善先前技術的至少一個缺點的玻璃纖維。
於是，本發明玻璃纖維包含如上所述的玻璃組成物。
本發明的功效在於：透過該玻璃組成物中各成分及含量範圍的搭配，尤其是TiO2、ZnO及SO3的含量範圍，使得該玻璃組成物具有不錯的抽絲成型視窗，且包含該玻璃組成物的玻璃纖維不 僅具有較低的介電常數(Dk)及介電正切損耗(Df)，還具有低氣泡數目繼而能減少印刷電路板短路現象的發生，且具有不會有結晶物存在的特性。
本發明玻璃組成物包含52wt%至58wt%的SiO2、12wt%至16wt%的Al2O3、16wt%至26wt%的B2O3、大於0wt%至2wt%以下的MgO、1wt%至6wt%的CaO、大於1wt%至小於5wt%的TiO2、大於0wt%至0.6wt%以下的Na2O、0wt%至0.5wt%以下的K2O、0wt%至1wt%的F2、1wt%至5wt%的ZnO、大於0wt%至1wt%以下的Fe2O3，及0.1wt%至0.6wt%的SO3。
以下將就本發明進行詳細說明。
該SiO2是構成該玻璃纖維的主要成分。當該SiO2的含量為52wt%以上時，包含該玻璃組成物的該玻璃纖維的介電常數範圍為小於5、該玻璃纖維具有不錯的機械強度以至於應用於印刷電路板時不易在鑽孔程序時破裂，以及具有不錯的耐水性及耐酸性而提升印刷電路板的穩定性。當該SiO2的含量為58wt%以下時，該玻璃組成物熔融時具有適當的黏度，以利於製造該玻璃纖維時的抽絲成型作業。
當該Al2O3的含量為12wt%以上時，該玻璃組成物熔融時不易發生分相而產生結晶的現象，繼而具有較佳的化學穩定性。 該Al2O3的含量為16wt%以下時，該玻璃組成物熔融為液相時的溫度較低及黏度較低，繼而有利於製造該玻璃纖維時的抽絲成型作業。
該B2O3是作為助熔劑且能降低該玻璃組成物熔融時的黏度。此外，B2O3為低介電的氧化物且可減少該玻璃纖維中的非橋氧鍵，繼而降低該玻璃纖維的介電常數及介電損耗正切。當該B2O3的含量範圍為16wt%以上時，該玻璃纖維具有較低的介電常數及介電損耗正切。當該B2O3的含量範圍為26wt%以下時，該玻璃纖維具有較佳的耐水性，以至於應用在印刷電路板時，玻璃纖維布不易在濕製程中因被侵蝕而形成孔洞，繼而與預浸用樹脂間有高的附著度。在本發明的一些實施態樣中，該B2O3的含量範圍為16wt%至24wt%。
該MgO的含量為大於0wt%時，能抑制該玻璃組成物熔融時發生分相而產生結晶的現象，及有助於降低該玻璃組成物熔融時的黏度，以利於製造該玻璃纖維時的抽絲成型作業，且有助於提升該玻璃纖維的耐水性及化學穩定性。該MgO的含量為2wt%以下時，利於降低該玻璃纖維的介電常數，以及有利於抑制堇青石(cordierite)等結晶物的存在於該玻璃纖維中。
該CaO的含量為1wt%以上時，有助於降低該玻璃組成物熔融時的黏度，以利於製造該玻璃纖維時的抽絲成型作業，且有助 於提升玻璃纖維的耐水性及化學穩定性。該CaO的含量為6wt%以下時，利於降低該玻璃纖維的介電常數。
當ZnO的含量範圍為1wt%至5wt%時，有助於降低該玻璃組成物熔融時的黏度及氣泡數目，且該玻璃組成物熔融時黏度為1000泊的溫度與失透溫度的差值大，有利於製造該玻璃纖維時的抽絲成型作業。在本發明的一些實施態樣中，該ZnO的含量範圍為2wt%至4wt%。
該Na2O為助熔劑，當該Na2O的含量為大於0wt%時，利於該玻璃組成物熔融。且該Na2O的含量為0.6wt%以下時，利於降低該玻璃纖維的介電常數並避免該玻璃纖維的耐水性劣化。
該K2O為助熔劑，當該K2O的含量為大於0wt%時，利於該玻璃組成物熔融。且該K2O的含量為0.5wt%以下時，利於降低該玻璃纖維的介電常數並避免該玻璃纖維的耐水性劣化。
該TiO2的含量為大於1wt%時，利於該玻璃組成物熔融，及利於降低該玻璃組成物熔融時的黏度及該玻璃纖維的氣泡數目。該TiO2的含量為小於5wt%時，利於降低該玻璃纖維的介電常數。在本發明的一些實施態樣中，該TiO2的含量範圍為大於1wt%至3wt%。
為能夠使該玻璃組成物熔融時的黏度更低，以更提升製造該玻璃纖維時的抽絲成型效率，較佳地，該F2的含量範圍為大於 0wt%。該F2除能降低該玻璃組成物熔融時的黏度外，還能夠作為助熔劑，從而有效地提升該玻璃組成物的熔融效率。當該F2的含量範圍為1wt%以下，能夠減少玻璃窯爐的耐火磚被氟侵蝕，且避免該玻璃組成物熔融時發生分相而產生結晶的現象。在本發明的一些實施態樣中，該F2的含量範圍為大於0wt%至1wt%以下。
當Fe2O3的含量範圍為大於0wt%時，也就是該玻璃組成物含有Fe2O3，可透過鐵的氧化還原狀態得知該玻璃組成物的氧化還原程度，繼而調整該玻璃組成物熔融時的氧化還原氣氛。當Fe2O3的含量範圍為1wt%以下時，利於降低該玻璃纖維的介電常數。
當該SO3的含量範圍為0.1wt%至0.6wt%時，該玻璃組成物在熔融過程中所產生的泡沫層厚度薄而提升玻璃窯爐中熱源傳遞效率，且有助於降低玻璃纖維的氣泡數目。在本發明的一些實施態樣中，該SO3的含量範圍為0.1wt%至0.3wt%。
為使本發明的玻璃組成物及玻璃纖維的生產成本符合經濟效益，該玻璃組成物不包含稀土元素。
此外，在不損及該玻璃纖維的特性的前提下，該玻璃組成物還包含其他成分，該其他成分包括Li2O、Cr2O3、As2O3、Sb2O3、P2O5、ZrO2、Cl2、BeO及SrO中至少一者。以該玻璃組成物的總量為100wt%計，該其他成分的總量為3wt%以下。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的 是，所述實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
[實施例1至3及比較例1至6]
在實施例1至3及比較例1至6中，是分別利用包括以下步驟的製備方式製作玻璃組成物及玻璃試片：依據表1所示，準備所需的原料及用量，將各原料混合後，得到玻璃組成物。將該玻璃組成物置於高溫爐中以1500至1550℃的溫度恆溫加熱4至6小時，得到完全熔融的玻璃液。隨後，將該玻璃液倒入直徑為40mm的石墨坩鍋中，再將該石墨坩鍋置於已預熱至800℃的退火爐中，使該玻璃液緩慢冷卻至室溫形成玻璃塊。將該玻璃塊研磨拋光，製成厚度為1至1.5mm的玻璃纖維試片。
[性質評價]
在實施例1至3及比較例1至6中，是利用如下所述的量測方法評價玻璃組成物及玻璃試片的性質，評價結果如表1所示。
1.氣泡數目：
取5公克的玻璃組成物並將其置於高溫爐中於1500℃恆溫加熱1.5小時，得到完全熔融的玻璃液。再將該玻璃液置於已預熱至800℃的退火爐中緩慢冷卻至室溫形成玻璃。在該玻璃的中央位置畫出面積為64mm2的正方形區域，並計算該正方形區域所含的氣泡數目。
2.介電常數及介電損耗正切
利用精密阻抗分析儀(廠商型號為Agilent 4294A)，依據ASTM D150標準方法，量測該玻璃試片在頻率為1MHz時的介電常數(Dk)及介電損耗正切(Df)。
3.失透温度
將2.25公克的玻璃組成物置於高溫爐中，並升溫至一特定溫度，且維持在該特定溫度16小時，接著，從該高溫爐取出，並靜置冷卻至室溫，然後，觀察是否有結晶物存在，若有，該特定溫度即為該失透溫度。
Figure 108148665-A0305-02-0010-1
從表1的實施例1至3的氣泡數目可知，當該玻璃組成物中TiO2的含量範圍為大於1wt%至小於5wt%、ZnO的含量範圍為1wt%至5wt%且SO3的含量範圍為0.1wt%至0.6wt%時，包含該玻 璃組成物的該玻璃的氣泡數目低。反觀比較例1、3、5及6，當該玻璃組成物中TiO2的含量範圍為小於1wt%或大於5wt%、ZnO的含量範圍為小於1wt%或大於5wt%，或SO3的含量範圍為小於0.1wt%或大於0.6wt%時，包含該玻璃組成物的玻璃的氣泡數目高。此表示包含本發明玻璃組成物的玻璃纖維的氣泡數目低，繼而應用至印刷電路板中時能夠減少印刷電路板短路現象的發生。
此外，為使玻璃纖維有較佳的生產效率且降低製備玻璃纖維的抽絲設備的耗損，該玻璃組成物的黏度為1000泊的溫度越低越好，然而，當該失透溫度高於黏度為1000泊的溫度時，存在有結晶物產生造成玻璃纖維外觀失去透明性，且在製造玻璃纖維的抽絲成型作業時所形成的玻璃纖維易斷裂的問題，故需設計出黏度為1000泊的溫度大於該失透溫度，且黏度為1000泊的溫度與該失透溫度間的差值(即△T)越大越好的玻璃組成物，以使該玻璃組成物具有不錯的抽絲成型視窗。基於此，參閱表1的實施例1至3及比較例2及4的△T可知，實施例1至3透過玻璃組成物中各成分及含量範圍的搭配，而具有較大的△T繼而具有較佳的抽絲成型視窗，反觀比較例2及4的△T為負值而導致抽絲成型視窗低劣。
綜上所述，本發明玻璃組成物透過該玻璃組成物中各成分及含量範圍的搭配，尤其是TiO2、ZnO及SO3的含量範圍，不僅該玻璃組成物具有不錯的抽絲成型視窗，且使得該包含該玻璃組成 物的玻璃纖維不僅具有較低的介電常數(Dk)及介電正切損耗(Df)，更還使得該玻璃纖維中的低氣泡數目較少且不會存在有結晶物。故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (9)

  1. 一種玻璃組成物，包含：52wt%至58wt%的SiO2；12wt%至16wt%的Al2O3；16wt%至26wt%的B2O3；大於0wt%至2wt%以下的MgO；1wt%至6wt%的CaO；大於1wt%至小於5wt%的TiO2；大於0wt%至0.6wt%以下的Na2O；0wt%至0.5wt%的K2O；0wt%至1wt%的F2；1wt%至5wt%的ZnO；大於0wt%至1wt%以下的Fe2O3；及0.1wt%至0.6wt%的SO3。
  2. 如請求項1所述的玻璃組成物，其中，該TiO2的含量範圍為大於1wt%至3wt%。
  3. 如請求項1所述的玻璃組成物，其中，該ZnO的含量範圍為2wt%至4wt%。
  4. 如請求項1所述的玻璃組成物，其中，該SO3的含量範圍為0.1wt%至0.3wt%。
  5. 如請求項1所述的玻璃組成物，其中，該B2O3的含量範圍為16wt%至24wt%。
  6. 如請求項1所述的玻璃組成物，其中，該F2的含量範圍為大於0wt%至1wt%以下。
  7. 如請求項1所述的玻璃組成物，不包含稀土元素。
  8. 如請求項1所述的玻璃組成物，還包含Li2O、Cr2O3、As2O3、Sb2O3、P2O5、ZrO2、Cl2、BeO及SrO中至少一者。
  9. 一種玻璃纖維，包含如請求項1至8中任一項所述的玻璃組成物。
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