TWI591041B - Glass materials that reduce the weight percentage of silicon oxide to improve process energy consumption - Google Patents

Description

減少氧化矽之重量百分比以改善製程能耗之玻璃材料

本發明係一種減少氧化矽之重量百分比以改善製程能耗之玻璃材料，尤指調降氧化矽的重量百分比，且增加氧化硼的重量百分比，以兼顧低黏度溫度、低介電係數與低耗損因子之玻璃材料。

按，玻璃纖維係屬於一種無機纖維，其截面呈圓形，直徑在數微米至20微米之間，密度則介於2.4~2.7公克/立方厘米，由於具有優良的物理特性，故成為現代產業中不可或缺的重要原料，其中，由電子級玻璃纖維製成的「玻纖紗」，更是印刷電路板中的必要基材之一。

玻璃依照其材料的組成、比例又分為多種類型，以往製作電子級玻璃纖維的原料大多為「E型玻璃」(E-Glass)，其主要的成份組成如下：

E型玻璃的介電係數(Dielectric constant)及耗損因子(Dissipation factor)分別約為6.8~7.1與0.006，惟，近年來，隨著各種電子產品逐漸朝輕薄短小、多功能、高速及高頻化方向發展，使印刷電路板必須具備更低的介電係數與耗損因子，始能符合電氣特性之規範，因此， 業者紛紛對玻璃之成份或比例進行改良，期能研發出一款更適合應用於印刷電路板之玻璃材料。

為便於說明玻璃在製作上需要留意的各種規格，茲先扼要說明製作玻璃纖維的流程如後：一般言，業者欲以一玻璃材料製作玻璃纖維時，係先將玻璃材料置入一加熱熔爐，加熱至預期的「黏度溫度」，使該玻璃材料熔融成一均勻的玻璃膏後，再利用一抽絲盒(Bushing)，將玻璃膏分離成玻璃纖維，前述「黏度溫度」係指玻璃材料經熔融後，其黏度達103 poise(泊)時的溫度，由於黏度多取對數(Log)進行表示，故玻璃膏在理想熔融狀態時的黏度溫度又稱Log3溫度。

目前，雖有許多業者已開發出符合印刷電路板之電氣特性條件的新型玻璃(如：日東紡績公司開發之NE-Glass或美商AGY公司開發之L-Glass)，但該等新型玻璃的黏度溫度都過高，致使業者必須花費極大的能源在加熱上，從而使生產成本居高不下。請參閱第1圖所示，係發明人以一款氧化矽SiO₂比例為55~60%之玻璃材料進行檢測後的數據，在玻璃材料被加熱熔融至理想熔融狀態L1(即，黏度達103 poise(泊))時，其溫度(即黏度溫度)係高於攝氏1300度，而若氧化矽SiO₂比例越高，則黏度溫度亦會相應上升，由此可知，「降低氧化矽SiO₂之比例」乃降低玻璃材料之黏度溫度的一有效方法。

由於，玻璃材料除了需具備前述的黏度溫度與電氣特性外，尚需確保其結構強度，如此，生產出之玻璃纖維始能符合印刷電路板的需求，因此，如何在確保玻璃材料之電氣特性與結構強度的前提下，降低其黏度溫度，即成為本發明在此亟欲解決的重要問題。

有鑑於習知用於製作印刷電路板之玻璃材料的「黏度溫度」皆過高，致使難以降低生產成本的問題，發明人憑藉著多年的實務經驗，並在多次的研究、嘗試與實作後，終於設計出本發明之一種減少氧化矽之重量百分比以改善製程能耗之玻璃材料，期能解決提供社會大眾一種更易於實施且成本更低的玻璃技術。

本發明之一目的，係提供一種減少氧化矽之重量百分比以改 善製程能耗之玻璃材料，包括一主體材料、一強化材料、一助熔材料及一調整材料；該主體材料包括氧化矽(SiO₂)，該氧化矽(SiO₂)之重量百分比為該玻璃材料的45~55%；該強化材料為氧化鋁(Al₂O₃)，該氧化鋁(Al₂O₃)之重量百分比為該玻璃材料的10~18%，該強化材料能增加該玻璃材料的結構強度；該助熔材料包括氧化硼(B₂O₃)，該氧化硼(B₂O₃)之重量百分比為該玻璃材料之20~35%，該助熔材料能降低該玻璃材料的黏度溫度；該調整材料包括氧化鈣(CaO)，該氧化鈣(CaO)之重量百分比為該玻璃材料之3~9%，該調整材料係用於提高該玻璃材料的耐水性，且亦能降低該玻璃材料的黏度溫度。據此，即能在「降低黏度溫度」的需求下，同時確保該玻璃材料具有「低介電係數」與「低耗損因子」，令該玻璃材料能符合印刷電路板的電氣特性需求。

為便 貴審查委員能對本發明之技術特徵及其目的有更進一步的認識與理解，茲以發明人實際研究出之若干實施例，進行說明如後：

〔習知〕

L1‧‧‧理想熔融狀態

〔本發明〕

L2‧‧‧理想熔融狀態

第1圖係習知玻璃材料之黏度檢測圖；及第2圖係本發明之玻璃材料之黏度檢測圖。

本發明係一種減少氧化矽之重量百分比以改善製程能耗之玻璃材料，係用於製作玻璃纖維，依據不同的材料特性，該玻璃材料之成份可包括一主體材料、一強化材料、一助熔材料及一調整材料，其中，該主體材料包括氧化矽(SiO₂)，該氧化矽(SiO₂)之重量百分比為該玻璃材料的45~55%。

該強化材料能增加該玻璃材料的結構強度，包括氧化鋁(Al₂O₃)，該氧化鋁(Al₂O₃)之重量百分比為該玻璃材料的10~18%，若重量百分比超過18%，則會明顯增加該玻璃材料之黏度(即，黏度溫度上升)，故較佳的比例為13.5~14.5%之間。

該助熔材料包括氧化硼(B₂O₃)，該氧化硼(B₂O₃)之重量百分比為該玻璃材料之20~35%，該氧化硼(B₂O₃)除能降低該玻璃材料 的黏度溫度外，尚能有效降低介電係數與耗損因子，故本發明乃增加氧化硼(B2O3)之比例(較佳的比例為28~35%)，以確保該玻璃材料之電氣特性。

該調整材料包括氧化鈣(CaO)，該氧化鈣(CaO)之重量百分比為該玻璃材料之3~9%，其能改變該玻璃材料的內部連接排列，以提高該玻璃材料的耐水性(即，能確保該玻璃材料製成之玻璃纖維在潮濕環境下的結構強度)，此外，該調整材料亦有降低該玻璃材料之黏度溫度的用途，惟，當該氧化鈣(CaO)之比例高於6%時，會使該玻璃材料之介電係數明顯增加，故較佳的範圍為3.5~4.5%。

如此，在業者對該玻璃材料進行加熱，以熔融成一玻璃膏，並透過拉絲作業將該玻璃膏製成玻璃纖維的過程中，由於該玻璃材料內之氧化矽(SiO₂)的重量百分比被控制在45~55%(習知各類玻璃材料中，氧化矽約佔52~60%，而根據發明人的測試結果，本發明氧化矽的較佳比例為45~52%)，故能有效降低該玻璃材料的黏度溫度，以改善加熱時的能量損耗；此外，有鑑於氧化矽(SiO₂)的重量百分比降低時，該玻璃材料的介電係數及耗損因子會隨之上升，故，本發明乃將該氧化硼(B₂O₃)之重量百分比調高至該玻璃材料之20~35%(習知各類玻璃材料中，氧化硼皆小於20%)，據此，即能在「降低黏度溫度」的需求下，同時確保該玻璃材料具有「低介電係數」與「低耗損因子」，令該玻璃材料能符合印刷電路板的電氣特性需求。

請參閱第2圖所示，係發明人針對氧化矽(SiO₂)的重量百分比為52.83%，且該氧化硼(B₂O₃)之重量百分比為33%的玻璃材料進行測試後的結果，由圖表可清楚看出，在該玻璃材料被加熱至理想熔融狀態L2(即，黏度取對數之值為3)時，其溫度(即，黏度溫度、Log3溫度)將能低於攝氏1300度(實際測量結果為攝氏1294度)，而若是將氧化矽(SiO2)的重量百分比進一步調降至51%，則黏度溫度甚至可低於攝氏1200度，讓業者能大幅減少加熱作業上所耗費的能量，進而改善生產成本。

另，在本發明之一較佳實施例中，助熔材料尚包括氟(F2)及氧化鎂(MgO)，氟(F₂)能降低該玻璃材料之黏度溫度，根據發明人的 測試結果，氟(F₂)之比例低於0.5%時作用並不明顯，但高於3%時，卻會加劇該玻璃纖維的揮發及對耐火材的侵蝕，進而增加玻璃的相分離(phase separation)，故氟(F₂)之重量百分比需介於該玻璃材料之0.01~2%，較佳比例為1~1.5%；而該氧化鎂(MgO)之重量百分比為該玻璃材料之0.01~2%。

此外，該玻璃材料中尚可加入一雜質材料，該雜質材料包括氧化鐵(Fe₂O₃)及氧化鈦(TiO₂)，由於雜質材料過多時，不利於降低該玻璃材料之介電係數，故，該氧化鐵(Fe₂O₃)之重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%(較佳比例為0.15~0.25%)，該氧化鈦(TiO₂)之重量百分比則為該玻璃材料之0.01~2%(較佳比例為0.25~0.35%)。

又，在本發明之其他實施例中，業者尚可在該玻璃材料中加入鹼金屬氧化物，以降低該玻璃纖維之耗損因子，例如加入氧化鈉(Na₂O)、氧化鉀(K₂O)及氧化鋰(Li₂O)，其中該氧化鈉(Na₂O)之重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%、該氧化鉀(K₂O)之重量百分比為該玻璃材料之0.01~2%，該氧化鋰(Li₂O)之重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%，且較理想的情況下，該等鹼金屬氧化物之總重量百分比不應超過該玻璃材料之0.5%。

請參閱下表所示，係申請人針對本發明之玻璃材料之一較佳實施例，進行測定後所得之數據：

以上所述，僅為本發明之若干較佳實施例，惟，本發明之技術特徵並不以此為限，凡相關技術領域之人士，在參酌本發明之技術內容後所能輕易思及之等效變化，均應不脫離本發明之保護範疇。

L2‧‧‧理想熔融狀態

Claims (8)

1. 一種減少氧化矽之重量百分比以改善製程能耗之玻璃材料，包括：一主體材料，包括氧化矽SiO₂，該氧化矽SiO₂之重量百分比為該玻璃材料的45~51%；一強化材料，包括氧化鋁Al₂O₃，該氧化鋁Al₂O₃之重量百分比為該玻璃材料之10~14.5%，該強化材料能增加該玻璃材料的結構強度；一助熔材料，包括氧化硼B₂O₃，該氧化硼B₂O₃之重量百分比為該玻璃材料之28~35%，該助熔材料能降低該玻璃材料的黏度溫度；及一調整材料，包括氧化鈣CaO，該氧化鈣CaO之重量百分比為該玻璃材料之3~9%，該調整材料係用於提高該玻璃材料的耐水性，且亦能降低該玻璃材料的黏度溫度。
2. 如請求項1所述之玻璃材料，其中該氧化鋁Al₂O₃之重量百分比為該玻璃材料之13.5~14.5%。
3. 如請求項2所述之玻璃材料，其中該氧化鈣CaO之重量百分比為該玻璃材料之3.5~4.5%。
4. 如請求項3所述之玻璃材料，其中該助熔材料尚包括氟F₂，氟F₂之重量百分比為該玻璃材料之0.01~2%。
5. 如請求項4所述之玻璃材料，其中氟F₂之重量百分比為該玻璃材料之1~1.5%。
6. 如請求項5所述之玻璃材料，其中該玻璃材料尚包括一雜質材料，該雜質材料包括氧化鐵Fe₂O₃及氧化鈦TiO₂，該 氧化鐵Fe₂O₃之重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%，該氧化鈦TiO₂之重量百分比則為該玻璃材料之0.01~2%。
7. 如請求項6所述之玻璃材料，其中該助熔材料尚包括氧化鎂MgO，該氧化鎂MgO之重量百分比為該玻璃材料之0.01~2%。
8. 如請求項7所述之玻璃材料，其中該玻璃材料尚包括下列鹼金屬氧化物：氧化鈉Na₂O，其重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%；氧化鉀K₂O，其重量百分比為該玻璃材料之0.01~2%；及氧化鋰Li₂O，其重量百分比為該玻璃材料之0.01~1%。