CN106186675A - 减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，包括氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化铝(Al2O3)及氧化钙(CaO)，其中，所述氧化硅(SiO2)的重量百分比为所述玻璃材料的45～55％，所述氧化硼(B2O3)的重量百分比为所述玻璃材料的20～35％，所述氧化铝(Al2O3)及氧化钙(CaO)的重量百分比则分别介于10～18％与3～9％之间，如此，通过降低该氧化硅(SiO2)的重量百分比，且提高氧化硼(B2O3)的重量百分比，即能在有效降低该玻璃材料的粘度温度的前提下，确保该玻璃材料具有低介电系数与低耗损因子，以符合印刷电路板的电气特性需求。

Description

减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料
技术领域
本发明是一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，尤其是指降低氧化硅的重量百分比，且增加氧化硼的重量百分比，以兼顾低粘度温度、低介电系数与低耗损因子的玻璃材料。
背景技术
玻璃纤维是属于一种无机纤维，其截面呈圆形，直径在数微米至20微米之间，密度则介于2.4～2.7公克/立方厘米，由于具有优良的物理特性，因此成为现代产业中不可或缺的重要原料，其中，由电子级玻璃纤维制成的「玻纤纱」，更是印刷电路板中的必要基材之一。
玻璃依照其材料的组成、比例又分为多种类型，以往制作电子级玻璃纤维的原料大多为「E型玻璃」(E-Glass)，其主要的成份组成如下：
成份 重量百分比
SiO2 52～62％
Al2O3 12～16％
CaO 16～25％
MgO 0～5％
B2O3 0～10％
E型玻璃的介电系数(Dielectric constant)及耗损因子(Dissipation factor)分别约为6.8～7.1与0.006，只是，近年来，随着各种电子产品逐渐朝轻薄短小、多功能、高速及高频化方向发展，使印刷电路板必须具备更低的介电系数与耗损因子，始能符合电气特性的规范，因此，本领域技术人员纷纷对玻璃的成份或比例进行改良，期能研发出一款更适合应用于印刷电路板的玻璃材料。
为便于说明玻璃在制作上需要留意的各种规格，现先简要说明制作玻璃纤维的流程如下：一般来说，本领域技术人员欲以一玻璃材料制作玻璃纤维时，是先将玻璃材料置入一加热熔炉，加热至预期的「粘度温度」，使该玻璃材料熔融成一均匀的玻璃膏后，再利用一抽丝盒(Bushing)，将玻璃膏分离成玻璃纤维，前述「粘度温度」是指玻璃材料经熔融后，其粘度达103poise(泊)时的温度，由于粘度多取对数(Log)进行表示，故玻璃膏在理想熔融状态时的粘度温度又称Log3温度。
目前，虽有许多本领域技术人员已开发出符合印刷电路板的电气特性条件的新型玻璃(如：日东纺绩公司开发的NE-Glass或美商AGY公司开发的L-Glass)，但该等新型玻璃的粘度温度都过高，致使本领域技术人员必须花费极大的能源在加热上，从而使生产成本居高不下。请参考图1所示，是发明人以一款氧化硅SiO2比例为55～60％的玻璃材料进行检测后的数据，在玻璃材料被加热熔融至理想熔融状态L1(即，粘度达103poise(泊))时，其温度(即粘度温度)是高于1300摄氏度，而若氧化硅SiO2比例越高，则粘度温度亦会相应上升，由此可知，「降低氧化硅SiO2的比例」才降低玻璃材料的粘度温度的一有效方法。
由于，玻璃材料除了需具备前述的黏度温度与电气特性外，还需确保其结构强度，如此，生产出的玻璃纤维始能符合印刷电路板的需求，因此，如何在确保玻璃材料的电气特性与结构强度的前提下，降低其粘度温度，即成为本发明在此急欲解决的重要问题。
发明内容
为解决现有技术中用于制作印刷电路板的玻璃材料的「粘度温度」皆过高，致使难以降低生产成本的问题，发明人凭借着多年的实务经验，并在多次的研究、尝试与实作后，终于设计出本发明的一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，期能解决提供社会大众一种更易于实施且成本更低的玻璃技术。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，包括一主体材料、一强化材料、一助熔材料及一调整材料；
所述主体材料包括氧化硅(SiO2)，所述氧化硅(SiO2)的重量百分比为所述玻璃材料的45～55％；
所述强化材料为氧化铝(Al2O3)，所述氧化铝(Al2O3)的重量百分比为所述玻璃材料的10～18％，所述强化材料能增加所述玻璃材料的结构强度；
所述助熔材料包括氧化硼(B2O3)，所述氧化硼(B2O3)的重量百分比为所述玻璃材料的20～35％，所述助熔材料能降低该玻璃材料的黏度温度；
所述调整材料包括氧化钙(CaO)，所述氧化钙(CaO)的重量百分比为所述玻璃材料的3～9％，所述调整材料是用于提高该玻璃材料的耐水性，且也能降低所述玻璃材料的粘度温度。据此，即能在「降低粘度温度」的需求下，同时确保该玻璃材料具有「低介电系数」与「低耗损因子」，使该玻璃材料能符合印刷电路板的电气特性需求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可作出如下改进：
作为优选的方案，所述氧化硅SiO2的重量百分比为所述玻璃材料的45～52％。
作为优选的方案，所述氧化硼B2O3的重量百分比为所述玻璃材料的28～35％。
作为优选的方案，所述氧化铝Al2O3的重量百分比为所述玻璃材料的13.5～14.5％。
作为优选的方案，所述氧化钙CaO的重量百分比为所述玻璃材料的3.5～4.5％。
作为优选的方案，所述助熔材料还包括氟F2，氟F2的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％。
作为优选的方案，氟F2的重量百分比为所述玻璃材料的1～1.5％。
作为优选的方案，所述玻璃材料还包括一杂质材料，所述杂质材料包括氧化铁Fe2O3及氧化钛TiO2，所述该氧化铁Fe2O3的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％，所述氧化钛TiO2的重量百分比则为所述玻璃材料的0.01～2％。
作为优选的方案，所述助熔材料还包括氧化镁MgO，所述氧化镁MgO的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％。
作为优选的方案，所述玻璃材料还包括下列碱金属氧化物：
氧化钠Na2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％；
氧化钾K2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％；及
氧化锂Li2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％。
为方便贵审查员能对本发明的技术特征及其目的有更进一步的认识与理解，现以发明人实际研究出的若干实施例，进行说明如后：
附图说明
图1是现有技术中的玻璃材料的粘度检测图，其中L1表示理想熔融状态；
图2是本发明的玻璃材料的粘度检测图，其中L2表示理想熔融状态。
具体实施方式
本发明的一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，是用于制作玻璃纤维，依据不同的材料特性，该玻璃材料的成份可包括一主体材料、一强化材料、一助熔材料及一调整材料，其中，该主体材料包括氧化硅(SiO2)，该氧化硅(SiO2)的重量百分比为该玻璃材料的45～55％。
该强化材料能增加该玻璃材料的结构强度，包括氧化铝(Al2O3)，该氧化铝(Al2O3)的重量百分比为该玻璃材料的10～18％，若重量百分比超过18％，则会明显增加该玻璃材料的粘度(即，粘度温度上升)，因此较佳的比例为13.5～14.5％之间。
该助熔材料包括氧化硼(B2O3)，该氧化硼(B2O3)的重量百分比为该玻璃材料的20～35％，该氧化硼(B2O3)除能降低该玻璃材料的粘度温度外，还能有效降低介电系数与耗损因子，因此本发明才增加氧化硼(B2O3)的比例(较佳的比例为28～35％)，以确保该玻璃材料的电气特性。
该调整材料包括氧化钙(CaO)，该氧化钙(CaO)的重量百分比为该玻璃材料的3～9％，其能改变该玻璃材料的内部连接排列，以提高该玻璃材料的耐水性(即，能确保该玻璃材料制成之玻璃纤维在潮湿环境下的结构强度)，此外，该调整材料也有降低该玻璃材料的粘度温度的用途，只是，当该氧化钙(CaO)的比例高于6％时，会使该玻璃材料之介电系数明显增加，故较佳的范围为3.5～4.5％。
如此，在本领域技术人员对该玻璃材料进行加热，以熔融成一玻璃膏，并透过拉丝作业将该玻璃膏制成玻璃纤维的过程中，由于该玻璃材料内的氧化硅(SiO2)的重量百分比被控制在45～55％(现有技术的各类玻璃材料中，氧化硅约占52～60％，而根据发明人的测试结果，本发明氧化硅的较佳比例为45～52％)，所以能有效降低该玻璃材料的粘度温度，以改善加热时的能量损耗；此外，由于氧化硅(SiO2)的重量百分比降低时，该玻璃材料的介电系数及耗损因子会随之上升，因此，本发明才将该氧化硼(B2O3)的重量百分比调高至该玻璃材料的20～35％(现有技术中各类玻璃材料中，氧化硼均小于20％)，据此，即能在「降低粘度温度」的需求下，同时确保该玻璃材料具有「低介电系数」与「低耗损因子」，使该玻璃材料能符合印刷电路板的电气特性需求。
请参阅图2所示，是发明人针对氧化硅(SiO2)的重量百分比为52.83％，且该氧化硼(B2O3)的重量百分比为33％的玻璃材料进行测试后的结果，由图表可清楚看出，在该玻璃材料被加热至理想熔融状态L2(即，粘度取对数的值为3)时，其温度(即，粘度温度、Log3温度)将能低于1300摄氏度(实际测量结果为1294摄氏度)，而若是将氧化硅(SiO2)的重量百分比进一步调降至51％，则粘度温度甚至可低于1200摄氏度，让本领域技术人员能大幅减少加热作业上所耗费的能量，进而改善生产成本。
另，在本发明的一较佳实施例中，助熔材料还包括氟(F2)及氧化镁(MgO)，氟(F2)能降低该玻璃材料的粘度温度，根据发明人的测试结果，氟(F2)的比例低于0.5％时作用并不明显，但高于3％时，却会加剧该玻璃纤维的挥发及对耐火材的侵蚀，进而增加玻璃的相分离(phase separation)，故氟(F2)的重量百分比需介于该玻璃材料的0.01～2％，较佳比例为1～1.5％；而该氧化镁(MgO)的重量百分比为该玻璃材料的0.01～2％。
此外，该玻璃材料中还可加入一杂质材料，该杂质材料包括氧化铁(Fe2O3)及氧化钛(TiO2)，由于杂质材料过多时，不利于降低该玻璃材料的介电系数，故，该氧化铁(Fe2O3)的重量百分比为该玻璃材料的0.01～1％(较佳比例为0.15～0.25％)，该氧化钛(TiO2)的重量百分比则为该玻璃材料的0.01～2％(较佳比例为0.25～0.35％)。
又，在本发明的其它实施例中，本领域技术人员还可在该玻璃材料中加入碱金属氧化物，以降低该玻璃纤维的耗损因子，例如加入氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)及氧化锂(Li2O)，其中该氧化钠(Na2O)的重量百分比为该玻璃材料的0.01～1％、该氧化钾(K2O)的重量百分比为该玻璃材料的0.01～2％，该氧化锂(Li2O)的重量百分比为该玻璃材料的0.01～1％，且较理想的情况下，该等碱金属氧化物的总重量百分比不应超过该玻璃材料的0.5％。
请参阅下表所示，是申请人针对本发明的玻璃材料的一较佳实施例，进行测定后所得的数据：
实施例1
称取以下重量百分比的各组分：52.83％的SiO2、33％的B2O3、10.67％的Al2O3、3.5％的CaO。
再将称取的各组分通过高温熔融方法，即先将玻璃材料的各组分置入一加热熔炉，加热至预期的「粘度温度」，使该玻璃材料熔融成一均匀的玻璃膏后，再利用一抽丝盒(Bushing)，将玻璃膏分离成玻璃纤维，得到玻璃材料。
测定制备的玻璃材料的粘度温度为测定制备的玻璃材料的粘度温度为1235℃。
实施例2
制备方法同实施例1，不同的为各组分的重量百分比如下：51％的SiO2、30％的B2O3、14.5％的Al2O3、4.5％的CaO和1％的TiO2。
再将称取的各组分通过与实施例1相同的高温熔融方法制成玻璃材料。
测定制备的玻璃材料的粘度温度为1232℃。
实施例3
制备方法同实施例1，不同的为各组分的重量百分比如下：54.2％的SiO2、22.5％的B2O3、17.6％的Al2O3、4％的CaO，0.2％的Fe2O3和1.5％的TiO2。
再将称取的各组分通过与实施例1相同的高温熔融方法制成玻璃材料。
测定制备的玻璃材料的粘度温度为1240℃。
实施例4
制备方法同实施例1，不同的为各组分的重量百分比如下：44.5％的SiO2、25.9％的B2O3、15％的Al2O3、9％的CaO、2％的MgO、0.1％的Fe2O3、2％的TiO2、0.5％的Na2O、0.5％的K2O、0.5％的Li2O。
再将称取的各组分通过与实施例1相同的高温熔融方法制成玻璃材料。
测定制备的玻璃材料的粘度温度为1225℃。
实施例5
制备方法同实施例1，不同的为各组分的重量百分比如下：51.8％的SiO2、26.29％的B2O3、15％的Al2O3、2.9％的CaO、0.01％的MgO，0.6％的Fe2O3、1％的Na2O、1％的K2O、1％的Li2O。
再将称取的各组分通过与实施例1相同的高温熔融方法制成玻璃材料。
测定制备的玻璃材料的粘度温度为1230℃。
从上述实施例可以看出，本发明的玻璃材料粘度温度远低于1300摄氏度，让本领域技术人员能大幅减少加热作业上所耗费的能量，进而改善生产成本。
以上所述，仅为本发明的若干较佳实施例，只是，本发明的技术特征并不以此为限，凡相关技术领域之人员，在参考本发明的技术内容后所能轻易想到的等效变化，均应不脱离本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种减少氧化硅的重量百分比以改善制程能耗的玻璃材料，包括：
一主体材料，包括氧化硅SiO2，所述氧化硅SiO2的重量百分比为所述玻璃材料的45～55％；
一强化材料，包括氧化铝Al2O3，所述氧化铝Al2O3的重量百分比为该玻璃材料的10～18％，所述强化材料能增加所述玻璃材料的结构强度；
一助熔材料，包括氧化硼B2O3，所述氧化硼B2O3的重量百分比为所述玻璃材料的20～35％，所述助熔材料能降低所述玻璃材料的粘度温度；及
一调整材料，包括氧化钙CaO，该氧化钙CaO的重量百分比为所述玻璃材料的3～9％，所述调整材料是用于提高所述玻璃材料的耐水性，且也能降低所述玻璃材料的粘度温度。
2.根据权利要求1所述的玻璃材料，其特征在于，所述氧化硅SiO2的重量百分比为所述玻璃材料的45～52％。
3.根据权利要求2所述的玻璃材料，其特征在于，所述氧化硼B2O3的重量百分比为所述玻璃材料的28～35％。
4.根据权利要求1、2或3所述的玻璃材料，其特征在于，所述氧化铝Al2O3的重量百分比为所述玻璃材料的13.5～14.5％。
5.根据权利要求4所述的玻璃材料，其特征在于，所述氧化钙CaO的重量百分比为所述玻璃材料的3.5～4.5％。
6.根据权利要求5所述的玻璃材料，其特征在于，所述助熔材料还包括氟F2，氟F2的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％。
7.根据权利要求6所述之玻璃材料，其特征在于，氟F2的重量百分比为所述玻璃材料的1～1.5％。
8.根据权利要求7所述的玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料还包括一杂质材料，所述杂质材料包括氧化铁Fe2O3及氧化钛TiO2，所述该氧化铁Fe2O3的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％，所述氧化钛TiO2的重量百分比则为所述玻璃材料的0.01～2％。
9.根据权利要求8所述的玻璃材料，其特征在于，所述助熔材料还包括氧化镁MgO，所述氧化镁MgO的重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％。
10.根据权利要求9所述的玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料还包括下列碱金属氧化物：
氧化钠Na2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％；
氧化钾K2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～2％；及
氧化锂Li2O，其重量百分比为所述玻璃材料的0.01～1％。
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