CN111003935A - 一种玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种玻璃材料，所述玻璃材料包括以下原料及重量百分比：SiO2 45～55％；B2O3 30～40％；CaO 1～6％；CaO+MgO 1～8％；Al2O3 10～14％；Li2O+Na2O+K2O 0.01～1％。本发明还公开上述玻璃材料的制备方法。本发明通过B2O3在玻璃中具有降低Dk和Df并能降低原料熔融成玻璃温度的功能，使其具有比一般低介电常数玻璃更低的介电常数，Dk低至4.5以下，更具良好的电气性质。

Description

一种玻璃材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及玻璃材料技术领域，尤其涉及一种玻璃材料及其制备方法。
背景技术
资讯，通讯，以及消费性电子(如计算机、通信和消费电子、3C)无疑地已成为全球工业中成长最快速的产业3C产业中，印刷线路板(印刷电路板， PCB)扮演着极为重要的角色，同时也是不可或缺的重要零组件。PCB主要是电子零组件安装与插接时主要的支撑体，并由电路设计达成中继传输的目的。
PCB制作过程中，借着电路设计将连接电子零组件的线路绘制成配线图形，再将此图案制作成胶片，然后在铜箔层板上经过图形显像、钻孔、电镀、蚀刻等加工过程，制作成所需的成品。当PCB安装与插接电子零组件后，即可应用在电脑主机板，显示卡，通讯板等产品中。
PCB主要由绝缘层和导电层这两部分所组成。绝缘层是将补强材料如玻璃纤维布在粘结材料树脂溶液中浸渍，烘干后层压而成。玻璃纤维产品根据形态可划分为玻璃纱、玻璃布、粗纱、编纱束(Woven Roving)、切股(Chopped Strand)、切股毡(Chopped StrandMat)，玻璃纤维纸巾、连续毡(Continuous Strand Mat)或玻璃纤维粉(Milled Fiber)等。根据玻璃组成和物化性质分类，包括无碱玻璃(E玻璃)、耐酸/碱玻璃、低介电常数玻璃与高强度玻璃等。其中应用在印刷电路板的玻璃纤维布，属于无碱玻璃。
在一定频率的交流电压作用下，玻璃会因极化或吸收，使交流电中的部份能量转变为热量而散失；此外，玻璃产生上述能量损耗的机制包括电导损失、松弛损失、结构损失和共振损失等。而此能量损耗与玻璃的介电损耗角正切成比例，而且当PCB信号高密度化，即线宽与间距逐渐缩小，产生了阻容迟滞(RC-delay)效应。阻容迟滞在元件性能上有许多负面影响，如使得讯号传递速度降低，传输噪音(串扰噪声)增加及功率消耗上升等。
因此，解决阻容迟滞最直接的方法是降低电阻与电容，所以，目前研究聚焦于借助降低介电常数，进而降低电容，同时避免产生阻容迟滞。
现有技术中在室温下，频率为1GHz时，玻璃的介电常数为6.7，当将这种玻璃作为PCB的玻璃纤维布时，会产生会过大的能量损耗，难以满足信号高密度化与高速处理化的需要。因此，亟待一种具有更低的介电常数的低介电玻璃。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有更低的介电常数的玻璃材料；
本发明的目的之二在于提供上述玻璃材料的制备方法。
为实现上述发明目的，一方面，本发明提供了一种玻璃材料，所述玻璃材料包括以下原料及重量百分比：
Figure RE-GDA0002399908680000021
作为本发明实施方式的进一步改进，所述玻璃材料中B2O3的重量百分比为31％至35％。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述玻璃材料中MgO的重量百分比为0.1％至2％。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述玻璃材料中CaO的重量百分比为3.5％至6％。
另一方面，本发明提供了上述玻璃材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、按照上述的重量百分比称取所述原料，并放到待加热容器中混合均匀；
S2、将装有玻璃材料的待加热容器置于温度1450℃下加热6小时，使玻璃材料的原料完全融熔后，慢慢缓慢冷却至室温，形成玻璃块；
S3、将所述玻璃块裁切成预设尺寸的玻璃薄板样品。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述待加热容器为陶瓷坩埚。
作为本发明实施方式的进一步改进，在所述步骤S3之后，还包括用射频阻抗分析仪检测S3制备得到的玻璃薄板样品的介电常数和介电损耗。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S3中预设尺寸包括长度 20mm、宽度20mm、厚度2-3mm。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述玻璃薄板样品在室温下、频率 1GHz时，介电常数Dk为4.3-4.5。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
因为在固态的矽酸盐和硼酸盐制备的玻璃中，碱金族和碱土族的金属离子对玻璃的介电性能影响很大，其含量越大，介电常数值相对越高，玻璃上的能量损失越大，阻容迟滞效应越明显；本实验利用B2O3在玻璃中具有降低 Dk和Df并能降低原料熔融成玻璃温度的功能，将B2O3的含量提高到30～40％，同时降低CaO的用量，使其具有比一般低介电常数玻璃(Dk通常为4.7～5.1) 更低的介电常数(Dk为4.3-4.5)，具有良好的电气性质。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种玻璃材料，具体包括以下原料及重量百分比：
Figure RE-GDA0002399908680000041
在本发明实施例中，氧化硼的作用是助熔剂，主要用于降低熔制玻璃时玻璃膏的黏度，当氧化硼含量少于30％时，其助熔效果无法充分发挥，且介电常数和介电损耗角正切过高；若氧化硼含量多于40％，由于氧化硼的挥发，不易制成均质的玻璃。因此氧化硼限定为30％至40％，更好是31％至35％。
MgO可以降低玻璃纤维的熔融温度，利于玻璃纤维的熔融和成型，但是 MgO含量过高时，不利于降低玻璃纤维的介电常数和介电损耗，还会增加玻璃的相分离，玻璃材料中MgO的重量百分比为0％至6％，或者进一步地0.1％至4％，最佳为0.1-2％。
在本发明实施例中，CaO是玻璃网路调整体，添加CaO可以降低玻璃纤维的熔融温度，提高玻璃纤维的耐水性，但是当CaO超过6％时，玻璃的介电常数会增大，最佳为3.5-6％。
而Na2O、K2O和Li2O等碱金属氧化物均作为熔剂，视情况而使用，主要用以降低熔制玻璃时玻璃膏的黏度，若氧化锂、氧化钠和氧化钾之总和多于1％，则介电损耗角正切变高，耐水性也变差，因此氧化锂与氧化钠与氧化钾之总和限定为0.01％至1％，最佳为0.1-0.5％。
另一方面，本发明提供了上述玻璃材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、按照上述的重量百分比称取原料，并放到待加热容器中混合均匀；具体地，称取约150克的配合料倒入至200毫升陶瓷坩埚中；
S2、将装有玻璃材料的陶瓷坩埚置于温度1450℃下加热6小时，使玻璃材料的原料完全融熔后，慢慢缓慢冷却至室温，形成玻璃块；
S3、将所述玻璃块裁切成预设尺寸的玻璃薄板样品。
S4、用射频阻抗分析仪检测制备得到的玻璃薄板样品的介电常数和介质损耗。
本发明实施例中，预设尺寸为长度20mm、宽度20mm、厚度2-3mm。
玻璃薄板样品在室温下、频率1GHz时，介电常数Dk为4.3-4.5。
本发明所揭露的低介电常数玻璃纤维，虽然其配方中的组成元素均与现有技术部分相同，但由于各组分及各组分中元素的比例并不相同，但却可以因此产生出具有不同的低介电常数与低介电损耗。以下具体例将以实际的实验数据证明，本发明所产生的突出功效。
具体例1-3的原料组成以及通过利用射频阻抗分析仪检测玻璃薄板得到以下数据表格：
Figure RE-GDA0002399908680000051
Figure RE-GDA0002399908680000061
对比例1-9的原料组成以及通过利用射频阻抗分析仪检测玻璃薄板得到以下数据表格：
Figure RE-GDA0002399908680000062
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
因为在固态的矽酸盐和硼酸盐制备的玻璃中，碱金族和碱土族的金属离子对玻璃的介电性能影响很大，其含量越大，介电常数值相对越高，玻璃上的能量损失越大，阻容迟滞效应越明显；本实验利用B2O3在玻璃中具有降低 Dk和Df并能降低原料熔融成玻璃温度的功能，将B2O3的含量提高到30～40％，同时降低CaO的用量，使其具有比一般低介电常数玻璃(Dk通常为4.7-5.1)更低的介电常数(Dk为4.3-4.5)，具有良好的电气性质。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料包括以下原料及重量百分比：
Figure FDA0002273006830000011
2.根据权利要求1所述的一种玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料中B2O3的重量百分比为31％至35％。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料中MgO的重量百分比为0.1％至2％。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料中，CaO的重量百分比为3.5％至6％。
5.一种玻璃材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、按照如权利要求1-4任意一项所述的重量百分比称取所述原料，并放到待加热容器中混合均匀；
S2、将装有玻璃材料的待加热容器置于温度1450℃下加热6小时，使玻璃材料的原料完全融熔后，慢慢缓慢冷却至室温，形成玻璃块；
S3、将所述玻璃块裁切成预设尺寸的玻璃薄板样品。
6.根据权利要求5所述的一种玻璃材料制备方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，还包括用射频阻抗分析仪检测S3制备得到的玻璃薄板样品的介电常数和介电损耗。
7.根据权利要求5所述的一种玻璃材料制备方法，其特征在于，所述步骤S3中预设尺寸包括长度20mm、宽度20mm、厚度2-3mm。
8.根据权利要求5所述的一种玻璃材料制备方法，其特征在于，所述玻璃薄板样品在室温下、频率1GHz时，介电常数为4.3-4.5。
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