JP7674543B2 - ガラス組成物、ガラス繊維及び電子製品 - Google Patents

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Description

本発明は、ガラス組成物、ガラス繊維及び電子製品に関し、特に低熱膨張係数、低誘電率(low dielectric constant)及び低誘電正接(low dielectric loss tangent)、紡糸加工性(spinning processability)を有するガラス組成物と、該ガラス組成物を含むガラス繊維と、該ガラス繊維を含む電子製品とに関するものである。
今の電子製品は高速な転送速度が求められているが、一方で作動中の熱膨張による残留応力が電子製品に対して悪影響を及ぼすことを克服する必要がある。
したがって、プリント基板において補強材とするガラス繊維布は、高速な転送速度を満足するために低誘電率及び低誘電正接を備えるばかりでなく、低熱膨張係数を備えて電子製品が温度の変化により変形することを防止することが必要である。
ガラス繊維布は、ガラス繊維糸を織り合わせるまたは編み合わせることで製造される。ガラス繊維糸は、ガラス繊維により形成され、ガラス繊維は、ガラス組成物を溶融及び紡糸することにより製造される。
ガラス繊維を製造する過程中にガラス組成物において結晶現象が生じると、ガラス組成物でガラス繊維を製造する時の紡糸加工作業が渋り、それにより、得られたガラス繊維の品質が悪くなり、ガラス繊維の性質に悪影響がある。
特許文献1には、低誘電ガラス組成物が開示されている。該低誘電ガラス組成物は、49wt%を超え且つ53wt%以下の範囲内にあるSiOと、13wt%~17wt%の範囲内にあるAlと、18wt%~24wt%の範囲内にあるBと、2wt%を超え且つ4.5wt%以下の範囲内にあるMgOと、2wt%を超え且つ5wt%以下の範囲内にあるCaOと、0.6wt%を超え且つ3.5wt%未満の範囲内にあるTiOと、0wt%を超え且つ0.6wt%以下の範囲内にあるNaOと、0wt%~0.5wt%の範囲内にあるKOと、0wt%~1wt%の範囲内にあるFと、1wt%を超え且つ4wt%未満の範囲内にあるZnOと、0wt%を超え且つ1wt%以下の範囲内にあるFeと、0.1wt%~0.6wt%の範囲内にあるSOとを含み、且つ、MgO+CaO+ZnOの含有量の合計が、8wt%を超え且つ11wt%未満の範囲内にある。
台湾特許第725930号公報
本発明の目的は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有する新しいガラス組成物と、低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有するガラス繊維と、転送効率良好且つ温度変化により変形しにくい電子製品とを提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明は、総量を100wt%として、
含有量が45wt%~61wt%の範囲内にあるSiOと、
含有量が15wt%~22wt%の範囲内にあるAlと、
含有量が0.1wt%~6wt%の範囲内にあるCaOと、
含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるMgOと、
含有量が0wt%を超え且つ8wt%未満の範囲内にあるZnOと、
含有量が0wt%を超え且つ7wt%未満の範囲内にあるCuOと、
含有量が6wt%を超え且つ18wt%未満の範囲内にあるBと、を含み、
CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量は、以下の式1を満足する関係になり、
式1:x=(C+M)/A+(C+M)/B、
式中、xの値は、0.3~1.5の範囲内にあり、
Cは、CaOの含有量を表し、
Mは、MgOの含有量を表し、
Aは、Alの含有量を表し、
Bは、Bの含有量を表す、ことを特徴とするガラス組成物を提供する。
また、本発明は、上記のガラス組成物を含む、ことを特徴とするガラス繊維を提供する。
また、本発明は、上記のガラス繊維を含む、ことを特徴とする電子製品を提供する。
本発明のガラス組成物は、上記の各成分及び該各成分の含有量の範囲の組み合わせの設計、特にMgOの含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあり、且つ、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量が、式1を満足する(即ち、xの値が、0.3~1.5の範囲内にある)設計により、本発明のガラス組成物は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有する。また、本発明のガラス組成物は、良好な紡糸加工性を有するので、該ガラス組成物により得られた本発明のガラス繊維も、低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有し、ひいては、該ガラス繊維を含む本発明の電子製品は、転送効率が良好で且つ温度変化により変形しにくい利点がある。
以下、本発明について説明する。
[ガラス組成物]
本発明のガラス組成物は、総量を100wt%として、含有量が45wt%~61wt%の範囲内にあるSiO(二酸化ケイ素)と、含有量が15wt%~22wt%の範囲内にあるAl(酸化アルミニウム)と、含有量が0.1wt%~6wt%の範囲内にあるCaO(酸化カルシウム)と、含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるMgO(酸化マグネシウム)と、含有量が0wt%を超え且つ8wt%未満の範囲内にあるZnO(酸化亜鉛)と、含有量が0wt%を超え且つ7wt%未満の範囲内にあるCuO(酸化銅)と、含有量が6wt%を超え且つ18wt%未満の範囲内にあるB(酸化ホウ素)とを含む。
また、本発明の発明者は、ガラス組成物に対して研究、試験、分析及び帰納を行った結果、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量を、以下の式1を満足する関係になるように設計した。
式1:x=(C+M)/A+(C+M)/B、
式中、xの値は、0.3~1.5の範囲内にあり、
Cは、CaOの含有量を表し、
Mは、MgOの含有量を表し、
Aは、Alの含有量を表し、
Bは、Bの含有量を表す。
式1及びxの値の範囲の設計と、本発明のガラス組成物中の各成分の特定の含有量の範囲、特にMgOの含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあることとの組み合わせにより、本発明のガラス組成物は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有する。
以下、各成分及びその含有量範囲の本発明における作用を説明する。
SiOは、本発明のガラス組成物の主要成分であって、ガラス組成物においてSiOの含有量が45wt%~61wt%の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利である。
ガラス組成物においてAlの含有量が15wt%~22wt%の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利であるだけではなく、ガラス繊維を製造する過程中にガラス組成物において結晶現象が生じにくく、良好な紡糸加工性を得られる。
ガラス組成物においてCaOの含有量が0.1wt%~6wt%の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利であり、また、ガラス繊維を製造する過程中にガラス組成物において結晶現象が生じにくく、良好な紡糸加工性を得られ、また、ガラス組成物の低熱膨張係数を減少できる。
ガラス組成物においてMgOの含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利であり、また、ガラス組成物の構造を緊密にすることができて、ガラス組成物及び該ガラス組成物により製造されるガラス繊維は低熱膨張係数及び低誘電率を有する利点を得られる。
ガラス組成物においてZnOの含有量が0wt%を超え且つ8wt%未満の範囲内にあるので、ガラス組成物の熱膨張係数及び該ガラス組成物により製造されるガラス繊維の熱膨張係数を減少できる。
ガラス組成物においてCuOの含有量が0wt%を超え且つ7wt%未満の範囲内にあるので、ガラス組成物の構造を緊密にすることができる上、ガラス組成物の熱膨張係数及び該ガラス組成物により製造されるガラス繊維の熱膨張係数を減少でき、また、ガラス繊維を製造する過程中にガラス組成物において結晶現象が生じにくく、良好な紡糸加工性を得られる。
ガラス組成物においてBの含有量が6wt%を超え且つ18wt%未満の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利であり、また、ガラス繊維を製造する過程中にガラス組成物において結晶現象が生じにくく、良好な紡糸加工性を得られる上、ガラス組成物の構造を緊密にすることができて、ガラス組成物及び該ガラス組成物により製造されるガラス繊維は低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有する利点を得られる。
本発明の一部の実施形態において、ガラス組成物は、総量を100wt%として、含有量が0wt%を超え且つ1wt%以下の範囲内にあるF(フッ素)を更に含む。Fを更に含む場合にも、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量は、同じく式1を満足する。
且つ、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量、Bの含有量及びFの含有量は、以下の式2を満足する関係になるように設計する。
式2:y=(C+M)/A+(C+M)/(B+F)、
式中、yの値は、0.3~1.5の範囲内にあり
Cは、CaOの含有量を表し、
Mは、MgOの含有量を表し、
Aは、Alの含有量を表し、
Bは、Bの含有量を表し、
Fは、Fの含有量を表す。
ガラス組成物においてFの含有量が0wt%を超え且つ1wt%以下の範囲内にあるので、ガラス組成物の粘度を減少できて、ガラス組成物の溶融に対して有利である上、ガラス組成物に対してより低い誘電率及びより低い誘電正接を与えることができる利点がある。
本発明の一部の実施形態において、本発明のガラス組成物は、他の物質を更に含んでもよい。該他の物質は、ガラス組成物の各成分内の不純物である。本発明の一部の実施形態において、ガラス組成物は、総量を100wt%として、含有量が1.2wt%以下の前記他の物質を含む。
本発明の一部の実施形態において、該他の物質は、NaO(酸化ナトリウム)、KO(酸化カリウム)、Fe(酸化鉄)、TiO(二酸化チタン)またはそれらの組み合わせを含む。
本発明の一部の実施形態において、ガラス組成物の熱膨張係数は、2.8ppm/℃以下であり、ガラス組成物は、10GHzの周波数において、誘電率が4.9以下であり、誘電正接が0.0035以下であり、且つ、ガラス組成物の紡糸の成形ウィンドウ(forming window)は、100℃を超える。
ガラス組成物の紡糸の成形ウィンドウが100℃を超えるので、ガラス組成物でガラス繊維を製造する時の紡糸成形作業に利する。
[ガラス繊維]
本発明のガラス繊維は、上記のガラス組成物を含む。
本発明のガラス繊維の製造方法は、例えば本発明のガラス組成物を溶融してガラス液を得た後、該ガラス液に対して紡糸加工を行って、ガラス繊維を得るが、それに限らない。
ガラス繊維を製造する条件パラメーター及び具体の工程は、関係分野においてよく知られている。したがって、ガラス組成物の各成分の含有量の差により、ガラス繊維の製造に関する製造条件パラメーターも異なるが、該製造条件パラメーターの調整も本発明の技術分野における通常の知識を有する者に良く知られているので、ここで詳しい説明を省略する。
本発明のガラス組成物は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性などの利点を有するので、該ガラス組成物により製造された本発明のガラス繊維も、低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有する。
本発明の一部の実施形態において、ガラス繊維の熱膨張係数は、2.8ppm/℃以下であり、ガラス繊維は、10GHzの周波数において、誘電率が4.9以下であり、誘電正接が0.0035以下である。
[電子製品]
本発明の電子製品は、上記のガラス繊維を含む。
本発明のガラス繊維は、低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有するので、該ガラス繊維を使用して該ガラス繊維を含むよう構成された本発明の電子製品は、転送効率が良好で且つ温度変化により変形しにくい利点がある。
本発明の電子製品の種類は、特に制限なく、本発明のガラス繊維を含む電子製品全てが本発明の電子製品の実施形態に含まれる。
本発明の一部の実施形態において、電子製品は、プリント基板である。
本発明の一部の実施形態において、電子製品は、集積回路基板である。
本発明の一部の実施形態において、電子製品は、レーダードームである。
以下、本発明の実施例について説明する。これらの実施例は、例示的かつ説明的なものであり、且つ、本発明を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。
<実施例1>
SiO、Al、CaO、MgO、ZnO、CuO、B及びFを混合してガラス組成物を得た。
該ガラス組成物は、該ガラス組成物の総量を100wt%として、含有量が55.4wt%であるSiOと、含有量が18.0wt%であるAlと、含有量が2.3wt%であるCaOと、含有量が1.9wt%であるMgOと、含有量が7.0wt%であるZnOと、含有量が0.2wt%であるCuOと、含有量が14.0wt%であるBと、含有量が0.7wt%であるFと、含有量が0.5wt%である他の物質(上記各成分に含まれる不純物であり、NaO、KO及びFeを含む)とを含み、上記式1におけるxの値は、0.54であり、上記式2におけるyの値は、0.52である。
<実施例2~実施例7及び比較例1~比較例3>
実施例2~実施例7及び比較例1~比較例3の製造方法は、各成分の含有量以外実施例1の製造方法と同じである。実施例2~実施例7及び比較例1~比較例3の各成分の含有量は表1及び表2に示される。
また、実施例2~実施例7のガラス組成物に含まれる他の物質は、NaO、KO及びFeを含み、比較例1~比較例3のガラス組成物に含まれる他の物質は、NaO、KO、Fe及びTiOを含む。
[評価項目]
実施例1~実施例7及び比較例1~比較例3のガラス組成物に対して、以下の評価を行った。簡単に説明するために、以下の評価項目の評価方法は実施例1のガラス組成物を代表として説明し、他の実施例及び比較例は同じ評価方法で行った。評価結果は表1及び表2に示される。
<熱膨張係数(略称:CTE、単位:ppm/℃)の測定>
実施例1のガラス組成物を高温炉中に配置して1500℃~1600℃の温度で1時間~4時間加熱し、完全に溶融した液体ガラスを得た。そして、該液体ガラスを直径40mmの黒鉛るつぼ(graphite crucible)に注入し、該黒鉛るつぼを800℃まで予熱した焼鈍炉(annealing furnace)に配置し、該液状ガラスを室温(25℃)にまで冷却することでガラスブロックを形成した。
該ガラスブロックを切削且つ研磨することによりサイズが0.5cm×0.5cm×2cmのサンプルを得た。
そして、熱機械分析装置(Hitachi社、型番:TMA71000)を使用して、10℃/minの加熱速度で該サンプルを加熱し、該サンプルの50℃及び200℃の時の長さを測定し、測定された長さ及び温度により、長さの変化量及び温度の変化量を算出してから実施例1のガラス組成物の熱膨張係数を算出した。その結果は、表1及び表2に示される。
<誘電率(略称:Dk)及び誘電正接(略称:Df)の測定>
実施例1のガラス組成物を高温炉中に配置して1500℃~1600℃の温度で1時間~4時間加熱し、完全に溶融した液体ガラスを得た。そして、該液体ガラスを直径40mmの黒鉛るつぼに注入し、該黒鉛るつぼを800℃まで予熱した焼鈍炉に配置し、該液状ガラスを室温(25℃)にまで冷却することでガラスブロックを形成した。
該ガラスブロックを研磨して、厚さ0.60mm~0.79mmのガラスシートを作成してから、ベクトルネットワークアナライザ(Vector Network Analyzer、ドイツR&S社のZNB20)をスプリットポスト誘電体共振器(Split Post Dielectric Resonator、台湾WAVERAY TECHNOLOGY CO., LTD.社)と合わせて、周波数が10GHz時の、該ガラスシートの誘電率及び誘電正接を測定して、実施例1のガラス組成物の誘電率及び誘電正接を得た。
<紡糸の成形ウィンドウ(略称:ΔT、単位:℃)の測定>
実施例1のガラス組成物を高温炉中に配置して1500℃~1600℃の温度で1時間~4時間加熱し、完全に溶融した液体ガラスを得た。そして、該液体ガラスを直径40mmの黒鉛るつぼに注入し、該黒鉛るつぼを800℃まで予熱した焼鈍炉に配置し、該液状ガラスを室温(25℃)にまで冷却することでガラスブロックを形成した。
該ガラスブロックから2.25gを取って高温炉中に配置した後、特定温度まで加熱し且つ2時間温度を維持し、そして該ガラスブロックを高温の溶鉱炉から取り出して静置で室温(25℃)まで冷却した後、該ガラスブロック中の結晶の有無を観察した。結晶がある場合、該特定温度はその実施例1のガラス組成物の失透温度である。実施例1ののガラス組成物が粘度1000ポアズ(poise)になる時の温度から失透温度を引くと、実施例1ののガラス組成物の紡糸の成形ウィンドウが得られた。
上記のガラスブロック、ガラスシートは、いずれもガラス組成物とみなすことができる。
表1及び表2に示されるように、比較例1のガラス組成物は、xの値が0.3未満であるので、紡糸の成形ウィンドウが50℃未満であってガラス繊維を製造する際に紡糸加工作業に不利になり、比較例2のガラス組成物は、xの値が1.5を超えるので、周波数が10GHzにおいての誘電率及び誘電正接が高い。比較例1及び比較例2のガラス組成物に対して、実施例1~実施例7のガラス組成物は、上記の式1を満足する(即ちxの値が0.3~1.5の範囲内にある)ので、熱膨張係数、周波数が10GHzにおいての誘電率及び誘電正接、紡糸の成形ウィンドウがより優れた。
比較例3のガラス組成物は、MgOの含有量が2wt%以上であるので、周波数が10GHzにおいての誘電率及び誘電正接が高い。比較例3のガラス組成物に対して、実施例1~実施例7のガラス組成物は、MgOの含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるので、熱膨張係数、周波数が10GHzにおいての誘電率及び誘電正接、紡糸の成形ウィンドウがより優れた。
上記の内容によれば、実施例1~実施例7のガラス組成物は、ガラス組成物の総量を100wt%として、含有量が45wt%~61wt%の範囲内にあるSiOと、含有量が15wt%~22wt%の範囲内にあるAlと、含有量が0.1wt%~6wt%の範囲内にあるCaOと、含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるMgOと、含有量が0wt%を超え且つ8wt%未満の範囲内にあるZnOと、含有量が0wt%を超え且つ7wt%未満の範囲内にあるCuOと、含有量が6wt%を超え且つ18wt%未満の範囲内にあるBとを含み、且つ、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量が上記の式1を満足する(即ちxの値が、0.3~1.5の範囲内にある)条件全部に合うので、実施例1~実施例7のガラス組成物は、熱膨張係数が2.8ppm/℃以下であり、10GHzの周波数において、誘電率が4.9以下であり、誘電正接が0.0035以下であり、且つ、紡糸の成形ウィンドウは、100℃を超える。したがって、本発明のガラス組成物は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有することが証明された。
したがって、本発明のガラス組成物における上記の成分及び該各成分の含有量の範囲の組み合わせの設計、特にMgOの含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあり、且つ、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量が、式1を満足する(即ち、xの値が、0.3~1.5の範囲内にある)設計により、本発明のガラス組成物は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有して、本発明の目的を達成する。
また、本発明のガラス組成物は、良好な紡糸加工性を有するので、該ガラス組成物により得られた本発明のガラス繊維も、低熱膨張係数、低誘電率及び低誘電正接を有し、ひいては、該ガラス繊維を含む本発明の電子製品は、転送効率が良好で且つ温度変化により変形しにくい利点がある。
上記実施形態は例示的に本発明の原理及び効果を説明するものであり、本発明を制限するものではない。本技術を熟知する当業者であれば本発明の精神及び範囲から離れないという前提の下、上記の実施形態に対して若干の変更や修飾が可能である。従って、当業者が本発明の主旨から離れないという前提の下、行った全ての変更や修飾も本発明の保護範囲に含まれるものとされるべきである。
本発明は、低熱膨張係数、低誘電率、低誘電正接及び良好な紡糸加工性を有するガラス組成物の提供に適する。

Claims (7)

  1. ガラス組成物を含むガラス繊維であって、
    前記ガラス組成物は、前記ガラス組成物の総量を100wt%として、
    含有量が45wt%~61wt%の範囲内にあるSiOと、
    含有量が15wt%~22wt%の範囲内にあるAlと、
    含有量が0.1wt%~6wt%の範囲内にあるCaOと、
    含有量が0wt%を超え且つ2wt%未満の範囲内にあるMgOと、
    含有量が0wt%を超え且つ8wt%未満の範囲内にあるZnOと、
    含有量が0wt%を超え且つ7wt%未満の範囲内にあるCuOと、
    含有量が6wt%を超え且つ18wt%未満の範囲内にあるBと、を含み、
    前記ガラス組成物における、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量及びBの含有量は、以下の式1を満足する関係になり、
    式1:x=(C+M)/A+(C+M)/B、
    式中、xの値は、0.3~1.5の範囲内にあり、
    Cは、前記ガラス組成物における、CaOの含有量を表し、
    Mは、前記ガラス組成物における、MgOの含有量を表し、
    Aは、前記ガラス組成物における、Alの含有量を表し、
    Bは、前記ガラス組成物における、の含有量を表す、ことを特徴とするガラス繊維
  2. 前記ガラス組成物は、前記ガラス組成物の総量を100wt%として、含有量が0wt%を超え且つ1wt%以下の範囲内にあるFを更に含む、ことを特徴とする請求項1に記載のガラス繊維
  3. 前記ガラス組成物における、CaOの含有量、MgOの含有量、Alの含有量、Bの含有量及びFの含有量は、以下の式2を満足する関係になり、
    式2:y=(C+M)/A+(C+M)/(B+F)、
    式中、yの値は、0.3~1.5の範囲内にあり、
    Cは、前記ガラス組成物における、CaOの含有量を表し、
    Mは、前記ガラス組成物における、MgOの含有量を表し、
    Aは、前記ガラス組成物における、Alの含有量を表し、
    Bは、前記ガラス組成物における、の含有量を表し、
    Fは、前記ガラス組成物における、の含有量を表す、ことを特徴とする請求項2に記載のガラス繊維
  4. 請求項1~3のいずれか一項に記載のガラス繊維を含む、ことを特徴とする電子製品。
  5. プリント基板である、ことを特徴とする請求項に記載の電子製品。
  6. 集積回路基板である、ことを特徴とする請求項に記載の電子製品。
  7. レーダードームである、ことを特徴とする請求項に記載の電子製品。
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