TW201307231A - 供電子應用之低介電玻璃及纖維玻璃 - Google Patents

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Abstract

本發明提供適用於電子應用中之玻璃組合物，例如，用作印刷電路板基板中之加強件。本發明提供相對於E玻璃之減小之介電常數且提供比D玻璃更為商業實用之纖維形成性質。

Description

供電子應用之低介電玻璃及纖維玻璃
本發明係關於玻璃組合物，其經調適以形成為可用於加強包含印刷電路板("PCB")之複合基板。更特定言之，本發明係關於玻璃纖維加強件，其具有允許增強PCB之效能的電性質。
"Dk"為材料之介電常數，亦被稱為"電容率"且為材料儲存電能之能力的量測。用作電容器之材料理想地具有相對較高之Dk，而用作PCB基板之部分之材料理想地具有低Dk(尤其對於高速電路而言)。Dk為給定材料在兩個金屬板之間儲存之電荷(亦即，電容)與空隙(空氣或真空)在相同兩個金屬板之間儲存之電荷量的比率。"Df"或耗散因子為介電材料中之功率損耗的量測。Df為電流之電阻損耗分量與電流之電容分量之比率且等於損耗角之正切。對於高速電路而言，構成PCB基板之材料之Df相對較低為理想的。
PCB通常已用"E玻璃"家族組合物之玻璃纖維來加強，其係基於D 578美國材料測試學會"Standard Specification for Glass Fiber Strands"。由此定義，用於電子應用之E玻璃含有5至10重量百分比之B2O3，其反映B2O3對玻璃組合物之介電性質之所要效應的認識。用於電子應用之E玻璃纖維在1 MHz頻率下通常具有在6.7至7.3範圍中之Dk。標準電子E玻璃亦經配製以提供有助於實用製造之熔融及形成溫度。商用電子E玻璃之形成溫度(在本文中亦被稱為 TF)(黏度為1000泊時所處之溫度)通常在1170℃至1250℃之範圍中。
對於電信及電子計算中之應用，高效能印刷電路板為達成較好效能(亦即，較少雜訊信號傳輸)需要具有與E玻璃相比較低之Dk的基板加強件。視需要，相對於E玻璃減小Df亦為電子工業所需要。當PCB工業需要低介電纖維玻璃時，玻璃纖維加強件之製造為了用以達成成功商業化之低介電纖維而需要解決經濟生存率問題。為此，在先前技術中所提議之一些低Dk玻璃組合物未充分解決經濟問題。
先前技術中之一些低介電玻璃之特徵在於高SiO2含量或高B2O3含量、或高SiO2與高B2O3兩者之組合。高SiO2與高B2O3兩者之組合之實例被稱為"D玻璃"。可在由L.Navias 及R.L.Green所著之文章"Dielectric Properties of Glasses at Ultra-High Frequencies and their Relation to Composition," J.Am.Ceram.SOC,29,267-276(1946)中、在美國專利申請案2003/0054936 A1(S.Tamura)中且在專利申請案JP 3409806 B2(Y.Hirokazu)中找到關於對低Dk玻璃之此方法的詳細描述。SiO2及D玻璃類型之玻璃之纖維已用作PCB基板(例如，包含編織纖維及環氧樹脂之層板)之呈織物形式的加強件。儘管此等方法均成功提供有時低達約3.8或4.3之低Dk，但此等組合物之高熔融及形成溫度導致此等纖維之不合需要之高成本。D玻璃纖維通常需要超過1400℃之形成溫度，且SiO2纖維要求相當於約2000℃之形成溫度。此外，D玻璃之特徵在於多達20重量百分比或 更大之高B2O3含量。因為B2O3為製造習知電子E玻璃所需之最貴原料中之一者，所以B2O3在D玻璃中之更大量之使用顯著增加其與E玻璃相比之成本。因此，SiO2與D玻璃纖維皆未提供用於大規模製造高效能PCB基板材料之實用解決方案。
已在JP 3409806B2(Hirokazu)中描述基於高B2O3濃度(亦即，11至25重量百分比)加諸如ZnO(高達10重量百分比)及BaO(高達10重量百分比)之其他相對較貴成份的其他低介電纖維玻璃，其中所報告之DK值在1 MHz下在4.8至5.6之範圍中。由於成本以及環境原因，在此等組合物中之BaO之包括存在問題。不管在此參考文獻之組合物中之貴B2O3的高濃度，所揭示之纖維形成溫度相對較高(例如，1355℃至1429℃)。類似地，已在美國專利申請案2003/0054936 A1(Tamura)中描述基於高B2O3濃度(亦即，14至20重量百分比)加相對較貴TiO2(高達5重量百分比)之其他低介電玻璃，其中在1 MHz下Dk=4.6至4.8且耗散因子Df=0.0007至0.001。在日本專利申請案JP 02154843A(Hiroshi等人)中，揭示具有在1 MHz下在5.2至5.3範圍中之Dk的無硼低介電玻璃。儘管此等無硼玻璃以可假定相對較低之原料成本來提供低Dk，但其缺點在於在1000泊熔體黏度下之纖維形成溫度較高，在1376℃與1548℃之間。另外，此等無硼玻璃具有非常窄之形成窗口(在形成溫度與液相線溫度之間的差)，通常為25℃或更低(在一些狀況下為負)，而普遍將認為約55℃或更高之窗口在商用纖維玻璃工業中為便利的。
為了改良PCB效能同時管理成本之增加，將有利的是，提供纖維玻璃之組合物，該等組合物提供相對於E玻璃組合物之電性質(Dk及/或Df)之顯著改良，且同時提供低於SiO2及D玻璃類型及以上所論述之低介電玻璃之其他先前技術方法的形成溫度的實用形成溫度。為了顯著降低原料成本，將需要維持B2O3含量小於D玻璃之含量(例如，低13重量百分比或低12百分比)。在一些情形下，可對於玻璃組合物亦有利的是，在電子E玻璃之ASTM定義內且因此需要不大於10重量百分比之B2O3。亦將有利的是，製造低Dk玻璃纖維而不需要在纖維玻璃工業中非習用之較貴材料(諸如，BaO或ZnO)。另外，商業實用玻璃組合物理想地具有對原料中之雜質的容許度，其亦允許較便宜分批材料之使用。
因為玻璃纖維在PCB複合物中之重要功能為提供機械強度，因此將最佳達成電性質之改良而不顯著犧牲玻璃纖維強度。可按照楊氏模數或原始拉伸強度來表示玻璃纖維強度。亦將需要新低介電纖維玻璃解決方案將用於製造PCB而不需要所使用之樹脂之主要改變或至少不需要大體上較貴之樹脂(如一些替代方法將需要)。
本發明之可纖維化玻璃組合物提供相對於標準E玻璃之改良之電效能(亦即，低Dk及/或低Df)，同時提供較先前技術低Dk玻璃提議較有助於商業實用纖維形成之溫度-黏度關係。本發明之另一可選態樣在於商業上可以相對較低原 料分批成本來製造組合物中之至少一些。在本發明之一態樣中，玻璃組合物包含以下組份，其可呈玻璃纖維之形式：SiO2 60至68重量百分比；B2O3 7至13重量百分比；Al2O3 9至15重量百分比；MgO 8至15重量百分比；CaO 0至4重量百分比；Li2O 0至2重量百分比；Na2O 0至1重量百分比；K2O 0至1重量百分比；Fe2O3 0至1重量百分比；F2 0至1重量百分比；TiO2 0至2重量百分比。
在一些實施例中，本發明之組合物之特徵在於相對較低含量之CaO(例如，在約0至4重量百分比左右)。在又一實施例中，CaO含量可在約0至3重量百分比左右。通常，最小化CaO含量會產生電性質之改良，且在一些實施例中CaO含量已被減小至可認為其為可選組份之此等低含量。另一方面，MgO含量對於此類型之玻璃相對較高，其中在一些實施例中，MgO含量為CaO含量之兩倍(以重量百分比計)。本發明之一些實施例可具有大於約6.0重量百分比之MgO含量，且在其他實施例中MgO含量可大於7.0重量百分比。
如上所述，先前技術之一些低Dk組合物具有需要包括大量BaO之缺點，且可注意到在本發明之玻璃組合物中不需要BaO。儘管本發明之有利電性質及製造性質不排除BaO之存在，但可將不存在BaO之故意包括視為本發明之一些實施例的額外優點。因此，本發明之實施例之特徵可在於存在小於1.0重量百分比之BaO。在僅痕量雜質量存在之彼等實施例中，BaO含量可被特徵化為不大於0.05重量百分比。
本發明之組合物包括量小於依賴於高B2O3來達成低Dk之先前技術方法的B2O3。此情形引起顯著成本節省。在一些實施例中，B2O3含量需要為不大於13重量百分比或不大於12重量百分比。本發明之一些實施例亦在電子E玻璃之ASTM定義內(亦即，不大於10重量百分比之B2O3)。
在以上所陳述之組合物中，組份成比例以便得到具有較標準E玻璃低之介電常數的玻璃。參考標準電子E玻璃以供比較，此在1 MHz頻率下可小於約6.7。在其他實施例中，介電常數(Dk)在1 MHz頻率下可小於6。在其他實施例中，介電常數(Dk)在1 MHz頻率下可小於5.8。其他實施例展現在1 MHz頻率下小於5.6或甚至更低之介電常數(Dk)。
以上所陳述之組合物具有有助於玻璃纖維之實用商業製造的理想溫度-黏度關係。通常，與先前技術中之D玻璃類型之組合物相比，製造纖維需要較低溫度。理想特徵可以許多方式來表示，且其可由本發明之組合物單獨或組合地達成。通常，可製造在以上所陳述之範圍內之玻璃組合 物，其展現在1000泊黏度下不大於1370℃之形成溫度(TF)。一些實施例之TF不大於1320℃或不大於1300℃或不大於1290℃。此等組合物亦包含在形成溫度與液相線溫度(TL)之間的差為正之玻璃，且在一些實施例中形成溫度比液相線溫度大至少55℃，該情況對於由此等玻璃組合物來商業製造纖維係有利的。
通常，最小化玻璃組合物之鹼金屬氧化物含量輔助降低Dk。在需要最佳化Dk之減小之彼等實施例中，總鹼金屬氧化物含量為不大於2重量百分比之玻璃組合物。在本發明之組合物中，已發現就此而言最小化Na2O及K2O比最小化Li2O更有效。鹼金屬氧化物之存在通常導致較低形成溫度。因此，在提供相對較低形成溫度具有優先性之本發明的彼等實施例中，包括大量Li2O(例如，至少0.4重量百分比)。出於此目的，在一些實施例中Li2O含量大於Na2O或K2O含量，且在其他實施例中Li2O含量大於Na2O及K2O含量之和，在一些實施例中大了兩倍或兩倍以上。
除以上所述之本發明之特徵以外或代替以上所述之本發明之特徵，本發明之組合物可用於提供具有低於標準電子E玻璃之耗散因子(Df)之耗散因子(Df)的玻璃。在一些實施例中DF在1 GHz下不大於0.0150，且在其他實施例中在1 GHz下不大於0.0100。
在一些實施例中所呈現之本發明的一有利態樣為對纖維玻璃工業中習知之組份的依賴及對原料源較貴之大量組份的避免。對於本發明之此態樣而言，可包括除在本發明之 玻璃組合物定義中明確陳述之組份以外的組份(即使並非必需)，但總量不大於5重量百分比。此等可選組份包括熔融助劑、澄清助劑、著色劑、痕量雜質及熟習玻璃製造技術者已知的其他添加劑。相對於一些先前技術低Dk玻璃，本發明之組合物中不需要BaO，但將不排除微量BaO(例如，高達約1重量百分比)之包括。同樣地，本發明中不需要大量ZnO，但在一些實施例中可包括微量(例如，高達約2.0重量百分比)。在最小化可選組份之本發明之彼等實施例中，可選組份之總量不大於2重量百分比或不大於1重量百分比。或者，可認為本發明之一些實施例基本上由指定組份組成。
為了降低Dk及Df，包括具有低電極化性之SiO2及B2O3在本發明之組合物中係適用的。儘管B2O3自身可在低溫(350℃)下熔融，但其相對於周圍空氣中之濕氣攻擊為不穩定的且因此純B2O3之纖維對於在PCB層板中之使用並不實用。SiO2與B2O3兩者皆為網狀形成物，且兩者之混合物將引起顯著高於E玻璃之纖維形成溫度的纖維形成溫度(通常D玻璃為此狀況)。為了降低纖維形成溫度，包括MgO及Al2O3，其替換SiO2中之一些。儘管由於氧化鈣(CaO)與SrO兩者皆具有高於MgO之極化性的極化性而比MgO不理想，但其亦可與MgO組合使用。
為了降低分批成本，以低於比D玻璃中之濃度的濃度來利用B2O3。然而，包括足夠B2O3以防止玻璃熔體中之相分 離，藉此對由該等組合物製成之玻璃纖維提供較好機械性質。
分批成份之選擇及其成本很大程度上取決於其純度要求。諸如用於E玻璃製造之典型商用成份含有呈各種化學形式之Na2O、K2O、Fe2O3或FeO、SrO、F2、TiO2、SO3等雜質。來自此等雜質之大多數陽離子將藉由與玻璃中之SiO2及/或B2O3形成非架橋氧而增大玻璃之Dk。
硫酸鹽(被表示為SO3)亦可作為精煉劑存在。少量雜質亦可因原料或在熔融過程期間因污染而存在，諸如，SrO、BaO、Cl2、P2O5、Cr2O3或NiO(不限於此等特定化學形式)。亦可存在其他精煉劑及/或加工助劑，諸如，As2O3、MnO、MnO2、Sb2O3或SnO2(不限於此等特定化學形式)。當存在時此等雜質及精煉劑各自通常以小於總玻璃組合物重量之0.5%的量存在。視需要，來自元素週期表之稀土族的元素可被添加至本發明之組合物，包括原子序21(Sc)、39(Y)及57(La)至71(Lu)。此等元素可用作加工助劑或改良玻璃之電性質、物理性質(熱性質及光性質)、機械性質及化學性質。可包括呈原始化學形式及氧化狀態之稀土添加劑。因為稀土元素即使在較低濃度下亦將增加分批成本，因此認為添加稀土元素為可選的，尤其在具有最小化原料成本之目標的本發明之彼等實施例中。在任何狀況下，其成本通常將指示稀土組份(被量測為氧化物)被包括時以不大於總玻璃組合物重量之約0.1至1.0%的量存在。
將經由以下系列之特定實施例來說明本發明。然而，熟習該項技術者將理解，本發明之原理預期許多其他實施例。
此等實例中之玻璃藉由在10%Rh/Pt坩堝中在1500℃與1550℃之間(2732℉至2822℉)的溫度下熔融呈粉末形式之試劑級化學品的混合物歷時四小時來製成。每一分批約為1200公克。在4小時熔融週期之後，熔融之玻璃被傾注至鋼板上以用於淬火。為了補償B2O3之揮發損耗(對於1200公克分批量在實驗室分批熔融條件下通常約5%)，分批計算中之硼保留因子被設定為95%。因為諸如氟化物及鹼金屬氧化物之其他揮發性物質在玻璃中之較低濃度，所以對於其發射損耗在分批中不對其進行調整。實例中之組合物表示經分批之組合物。因為試劑化學品用於製備具有適當B2O3調整之玻璃，所以認為本發明中所說明之分批組合物接近於所量測之組合物。
作為溫度函數之熔體黏度及液相線溫度係分別藉由使用ASTM測試方法C965 "Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point"及C829 "Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass by the Gradient Furnace Method"來判定。
具有40 mm直徑及1至1.5 mm厚度之每一玻璃樣本的經拋光之圓盤(其由經退火之玻璃製成)用於電性質及機械性質量測。每一玻璃之介電常數(Dk)及耗散因子(Df)由ASTM 測試方法D150 "Standard Test Methods for A-C Loss Characteristics and Permittivity(Dielectric Constant)of Solid Electrical Insulating Materials"在1 MHz至1GHz下判定。根據程序，在50%濕度下在25℃下預處理所有樣本歷時40個小時。使用ASTM測試方法C729 "Standard Test Method for Density of Glass by the Sink-Float Comparator"來執行關於玻璃密度之選擇性測試，對於該測試所有樣本被退火。
對於選定組合物，微壓痕方法用於判定楊氏模數(在壓頭卸載週期中，自壓痕負載-壓痕深度之最初曲線斜率)及微硬度(自最大壓痕負載及最大壓痕深度)。關於測試，使用相同圓盤樣本，其已被測試Dk及Df。進行五個壓痕量測以獲得平均楊氏模數及微硬度資料。使用產品名稱BK7之商用標準參考玻璃塊來校準微壓痕裝置。參考玻璃具有含一標準差0.26 GPa的楊氏模數90.1 GPa及含一標準差0.02 GPa的微硬度4.1 GPa，其全部係基於五個量測。
實例中之所有組成值以重量百分比來表示。
表1組合物
實例1至8提供以下重量百分比之玻璃組合物(表1)：SiO2 62.5至67.5%、B2O3 8.4至9.4%、Al2O3 10.3至16.0%、MgO 6.5至11.1%、CaO 1.5至5.2%、Li2O 1.0%、Na2O 0.0%、K2O 0.8%、Fe2O3 0.2至0.8%、F2 0.0%、TiO2 0.0%及硫酸鹽(被表示為SO3)0.0%。
經測得玻璃在1 MHz頻率下具有5.44至5.67之Dk及0.0006 至0.0031之Df，且在1 GHz頻率下具有5.47至6.67之Dk及0.0048至0.0077之Df。在系列III中之組合物的電性質說明較諸在1 MHz下Dk為7.29且Df為0.003且在1 GHz下Dk為7.14且Df為0.0168之標準E玻璃之顯著較低(亦即，改良)的Dk及Df。
根據纖維形成性質，表1中之組合物具有1300至1372℃之形成溫度(TF)及89至222℃之形成窗口(TF-TL)。此可與具有通常在1170至1215℃範圍中之TF的標準E玻璃相比。為了防止纖維形成中之玻璃反玻化，大於55℃之形成窗口(TF-TL)為理想的。表1中之所有組合物展現令人滿意之形成窗口。儘管表1之組合物具有高於E玻璃之形成溫度的形成溫度，但其具有顯著低於D玻璃之形成溫度(通常約1410℃)的形成溫度。
表2組合物
實例9至15提供玻璃組合物：SiO2 60.8至68.0%、B2O3 8.6及11.0%、Al2O3 8.7至12.2%、MgO 9.5至12.5%、CaO 1.0至3.0%、Li2O 0.5至1.5%、Na2O 0.5%、K2O 0.8%、Fe2O3 0.4%、F2 0.3%、TiO2 0.2%及硫酸鹽(被表示為SO3)0.0%。
經測得玻璃在1 MHz頻率下具有5.55至5.95之Dk及0.0002 至0.0013之Df，且在1 GHz頻率下具有5.54至5.94之Dk及0.0040至0.0058之Df。表2中之組合物的電性質說明較諸在1 MHz下Dk為7.29且Df為0.003且在1 GHz下Dk為7.14且Df為0.0168之標準E玻璃之顯著較低(改良)的Dk及Df。
就機械性質而言，表2之組合物具有86.5至91.5 GPa之楊氏模數及4.0至4.2 GPa之微硬度，其兩者等於或高於具有楊氏模數85.9 GPa及微硬度3.8 GPa的標準E玻璃。表2中之組合物的楊氏模數亦顯著高於基於文獻資料為約55 GPa的D玻璃。
就纖維形成性質而言，與具有在1170至1215℃範圍中之TF的標準E玻璃相比，表2之組合物具有1224至1365℃之形成溫度(TF)及6至105℃之形成窗口(TF-TL)。表2組合物中之一些(但並非全部)具有大於55℃之形成窗口(TF-TL)，其在一些情況下對於避免商業纖維形成操作中之玻璃反玻化被認為係較佳的。表2組合物具有低於D玻璃之形成溫度(1410℃)的形成溫度，儘管其高於E玻璃之形成溫度。

Claims (20)

  1. 一種適合於纖維形成之玻璃組合物，其包含：SiO2 60至68重量百分比；B2O3 7至12重量百分比；Al2O3 9至14重量百分比；MgO 8至14重量百分比；CaO 0至4重量百分比；Li2O 0至2重量百分比；Na2O 0至1重量百分比；K2O 0至1重量百分比；Fe2O3 0至1重量百分比；F2 0至2重量百分比；TiO2 0至2重量百分比；及其他組份共0至5重量百分比；其中該(Li2O+Na2O+K2O)之含量係小於2重量百分比，及其中該MgO之含量，以重量百分比為準，係至少為CaO含量之兩倍。
  2. 一種適合於纖維形成之玻璃組合物，其包含：B2O3 小於12重量百分比；Al2O3 9至14重量百分比；MgO 8至14重量百分比；CaO 0至4重量百分比；SiO2 60至68重量百分比；Li2O 0至2重量百分比； Na2O 0至1重量百分比；K2O 0至1重量百分比；Fe2O3 0至1重量百分比；F2 0至2重量百分比；TiO2 0至2重量百分比；其中該(Li2O+Na2O+K2O)之含量係小於2重量百分比，其中該MgO之含量，以重量百分比為準，係至少為CaO含量之兩倍，及其中該玻璃展現小於6.7之介電常數(Dk)及在1000泊黏度下不大於1370℃之形成溫度(TF)。
  3. 一種適合於纖維形成之玻璃組合物，其包含：SiO2 60至68重量百分比；B2O3 7至12重量百分比；Al2O3 9至14重量百分比；MgO 8至14重量百分比；CaO 0至3重量百分比；Li2O 0至2重量百分比；Na2O 0至1重量百分比；K2O 0至1重量百分比；Fe2O3 0至1重量百分比；F2 0至2重量百分比；TiO2 0至2重量百分比；其中該(Li2O+Na2O+K2O)之含量係小於2重量百分比，其中該MgO之含量，以重量百分比為準，係至少為CaO含量之兩倍，及其中該玻璃展現小於5.9之介電常數(Dk)及 在1000泊黏度下不大於1320℃之形成溫度(TF)。
  4. 如請求項1或2之組合物，其中該CaO含量為0至3重量百分比。
  5. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該MgO含量為8至13重量百分比。
  6. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該MgO含量為9至12重量百分比。
  7. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該B2O3含量係不大於11重量百分比。
  8. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該Al2O3含量為10至13重量百分比。
  9. 如請求項1之組合物，其中該等組份係經選擇以提供具有在1 MHz頻率下小於6.7之介電常數(Dk)的玻璃。
  10. 如請求項1或2之組合物，其中該等組份係經選擇以提供具有在1 MHz頻率下小於6之介電常數(Dk)的玻璃。
  11. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該等組份係經選擇以提供具有在1 MHz頻率下小於5.8之介電常數(Dk)的玻璃。
  12. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該等組份係經選擇以提供具有在1 MHz頻率下小於5.6之介電常數(Dk)的玻璃。
  13. 如請求項1之組合物，其中該等組份係經選擇以提供在1000泊黏度下不大於1370℃之形成溫度TF。
  14. 如請求項2、3或13中任一項之組合物，其中該等組份係 經選擇以提供比該形成溫度低至少55℃之液相線溫度(TL)。
  15. 如請求項1或2之組合物，其中該等組份係經選擇以提供在1000泊黏度下不大於1320℃之形成溫度TF。
  16. 如請求項15之組合物，其中該等組份係經選擇以提供比該形成溫度低至少55℃之液相線溫度(TL)。
  17. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該組合物含有0至1重量百分比之BaO及0至2重量百分比之ZnO。
  18. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中該組合物基本上不含有BaO且基本上不含有ZnO。
  19. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中若存在其他組份，則該等其他組份係以0至2重量百分比之總量存在。
  20. 如請求項1至3中任一項之組合物，其中若存在其他組份，則該等其他組份係以0至1重量百分比之總量存在。
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