(57)【要約】【課題】石英ガラス繊維、及びその繊維を使用して作製した石英ガラス糸及び布の加工性の問題を改善することを課題としてなされたもので、特に１ＧＨｚを超える高周波回路に用いられる多層プリント基板用の合成石英ガラス繊維、糸及び布を提供する。【解決手段】１ＧＨｚ以上の高周波用多層プリント基板に用いられ、繊維径がφ３μ以上、φ９μ以下の合成石英ガラス繊維であって、仮想温度が１２００℃以上、１６００℃以下であるようにした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ＧＨｚ以上の高周波用多層プリント基板に用いられ、繊維径がφ３μ以上、φ９μ以下の合成石英ガラス繊維であって、仮想温度が１２００℃以上、１６００℃以下である事を特徴とする合成石英ガラス繊維。
【請求項２】
ＯＨ基濃度が１０００ｐｐｍ以下である事を特徴とする請求項１記載の合成石英ガラス繊維。
【請求項３】
１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波信号に対する誘電率が３．７０以下、１０ＧＨｚの高周波信号に対する誘電正接が２×１０−４以下、体積抵抗率が１０１５Ωｃｍ以上、表面抵抗率が１０１５Ωｃｍ以上である事を特徴とする請求項１又は２項記載の合成石英ガラス繊維。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の合成石英ガラス繊維を５０本以上５００本以下束ねたことを特徴とする合成石英ガラスストランド。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の合成石英ガラス繊維を５０本以上５００本以下束ねたことを特徴とする合成石英ガラスヤーン。
【請求項６】
請求項４記載のストランド又は請求項５記載のヤーンを用いて作製された合成石英ガラスクロス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層プリント基板に用いられる合成石英ガラス繊維、糸（ストランド又はヤーン）、布（クロス）に関する。特に１ＧＨｚ以上の高周波回路に必要な低誘電率、低損失なプリント基板を形成するための合成石英ガラス繊維、糸、布に関する。
【０００２】
【関連技術】
従来、多層プリント基板に用いられるガラス布として、Ｅガラス繊維、Ｄガラス繊維から織布された布が用いられてきた（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−７４２５５号公報
【特許文献２】
特開平２−６１１３１号公報
【特許文献３】
特開昭６２−１６９４９５号公報
【０００４】
しかしながら、近年、半導体素子の高速化に伴うコンピュータや周辺機器に用いられるプリント配線基板の高速化が進み、更にインターネットや携帯電話の急激な普及に伴い、通信機器、放送用機器の高速大容量伝送の要求が高まっているために、これら多層プリント基板においても、高周波特性の改良が必要となっており、特に１ＧＨｚを超える高周波域における損失や遅延の問題が注目されてきている。
【０００５】
このため、ガラス繊維の中でも特に誘電率が小さく、誘電損失も小さな天然石英ガラス繊維が注目されたが、天然石英ガラス繊維は高価である事に加え、通常のガラス繊維に比較して非常に硬く、多層基板のバイアホール等の穴あけや切削加工が困難であるという欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、石英ガラス繊維、及びその繊維を使用して作製した石英ガラス糸及び布の加工性の問題を改善することを課題としてなされたもので、特に１ＧＨｚを超える高周波回路に用いられる多層プリント基板用の合成石英ガラス繊維、糸及び布を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、石英ガラス繊維の加工性を改善する事を目的として鋭意研究を重ねた結果、石英ガラス繊維の仮想温度を一般的な石英ガラスに比べて高く設定する事により、ガラス繊維自体に不安定構造を内在させ、通常の石英ガラス繊維に比べて脆い、即ち加工性の良好なガラス繊維を得られる事を見出した。
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の合成石英ガラス繊維は、１ＧＨｚ以上の高周波用多層プリント基板に用いられ、繊維径がφ３μ以上、φ９μ以下の合成石英ガラス繊維であって、仮想温度が１２００℃以上、１６００℃以下である事を特徴とする。
【０００９】
上記合成石英ガラス繊維は、ＯＨ基濃度が１０００ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００１０】
上記合成石英ガラス繊維において、含有されるＯＨ基濃度（ｐｐｍ）ＣＯＨと塩素濃度（ｐｐｍ）に２／３を乗じた量２／３ＣＣｌとの総和Ｓ＝ＣＯＨ＋２／３ＣＣｌが２００以上１０００以下、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉの３種類のアルカリ金属元素が各０．５ｐｐｍ以下、Ｃａ、Ｍｇの２種類のアルカリ土類金属元素含有量の総和が０．５ｐｐｍ以下、Ｃｕ及びＡｇの含有量の総和が０．２ｐｐｍ以下、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量の総和が１ｐｐｍ以下、及びＡｌの含有量が１ｐｐｍ以下である事が好適である。
【００１１】
上記合成石英ガラス繊維において、１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波信号に対する誘電率が３．７０以下、１０ＧＨｚの高周波信号に対する誘電正接が２×１０−４以下、体積抵抗率が１０１５Ωｃｍ以上、表面抵抗率が１０１５Ωｃｍ以上である事が好ましい。
【００１２】
本発明の合成石英ガラスストランドは、上記合成石英ガラス繊維を５０本以上５００本以下束ねたものである。なお、本発明においては、繊維を撚らずに束ねたものをストランドと称す。
【００１３】
本発明の合成石英ガラスヤーンは、上記合成石英ガラス繊維を５０本以上５００本以下束ねたものである。なお、本発明においては、繊維に撚りをかけて束ねたものをヤーンと称す。
【００１４】
本発明の合成石英ガラスクロスは、上記合成石英ガラスストランド又はヤーンを用いて作製されたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、これらの実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１６】
ガラスは過冷却液体であって通常の結晶のように明白な融点を持たない。ガラスを完全な溶融状態から冷却していく過程で、ガラス分子は、より安定な構造に再配列しようとする一方、冷却によりガラス分子は運動エネルギーを失うので本来の安定位置にたどり着く前に固定されてしまう。つまりガラスの構造はガラス分子がどの位安定な構造位置に近づけたかでその安定度が決定され、それはガラスの溶融状態からの固体として固定されるまでの冷却速度に依存する。即ち、冷却速度が十分に遅ければ、ガラス分子は構造的に安定な位置に到達するに足る運動エネルギーを維持出来るので、ガラス構造は安定なものになる。逆に冷却速度が非常に早い場合にはガラス分子は急速に運動エネルギーを失って、安定な位置に達する以前に、不安定な位置で固定されてしまうため、ガラス構造に不安定さが残る事になる。
【００１７】
このガラス分子が固定された温度を仮想温度と称し、ガラスの場合は仮想温度がガラスの密度、屈折率等を決定する重要な因子となる。仮想温度は冷却速度が速いほど高く、遅いほど低く設定される。
【００１８】
今、合成石英ガラス繊維の加工性（一般的には切削性）と仮想温度の関係に注目した場合、仮想温度が高いほどガラス構造が不安定になり、いわゆる歪を残した”脆い”状態になるので、加工性は良くなる。
【００１９】
発明者らの実験によると合成石英ガラス繊維の仮想温度が１２００℃以上あれば、それ以下の仮想温度に比べて加工性は向上するが、逆に仮想温度があまりに高いと構造的な不安定さが増大するため、仮想温度の最大値は１６００℃以下が好ましいことが判った。
【００２０】
加工性と操業条件、得られた石英ガラス繊維の構造安定性を考慮した場合、より好適な仮想温度の範囲としては１３００℃以上１５００℃以下である。
【００２１】
ここで、仮想温度はガラスの粘度と密接な関係を示す。即ち、粘度の低い、言いかえるとガラス分子が動きやすいガラスの場合には、相対的に早い冷却速度でも十分に安定構造にたどり着く事が出来るが、粘度が高い、ガラス分子が動き難い場合にはゆっくりした冷却でも十分な安定構造をとる事が出来なくなる。
【００２２】
石英ガラスにおいて粘度を決定する重要な因子はＯＨ基濃度であるが、ＯＨ基濃度が高いとガラスの粘度は低下する。このため、ＯＨ基濃度の高い合成石英ガラスにおいては同じ冷却条件であってもＯＨ基能度の低い合成石英ガラスに比べて高い仮想温度を示す。従って、ＯＨ基濃度の高すぎる合成石英ガラスでは急速な冷却を行いつつ、非常に早い速度で線引きする事が必要になるため、操業的な安定性が失われ、線引き中の破断等の事故が生じやすい。このため、ＯＨ基濃度としては１０００ｐｐｍ以下である事が好ましく、更に好ましくはＯＨ基濃度３００ｐｐｍ以下である。
【００２３】
石英ガラス中の不純物濃度もまた石英ガラスの粘度に大きな影響を及ぼす。特にＮａ、Ｋ、Ｃａのアルカリ金属元素、Ｃａ、Ｍｇ等のアルカリ土類元素、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属元素は濃度が高いと石英ガラスの粘度を低下させるし、更に濃度が高くなると再結晶化を引き起こす。石英ガラス繊維の場合は通常のバルク石英ガラスに比べて表面エネルギーが高く、また本件特許においては意識的に仮想温度を高めて構造的な不安定要因を内在させているために、再結晶化のためのエネルギー障壁が低くなっていると考えられ、その意味において、これらの金属不純物濃度は少なく設定する事が好適である。
【００２４】
金属不純物として許容される濃度は、アルカリ金属の場合、Ｎａ、Ｌｉ、Ｋの３元素が各々０．５ｐｐｍ以下、アルカリ土類金属としてＣａ、Ｍｇの２元素の総和が０．５ｐｐｍ以下、金属元素としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉの３元素の和が１ｐｐｍ以下、Ｃｕ及びＡｇの総和が０．２ｐｐｍ以下、及び骨格形成元素であるＡｌの濃度が１ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
【００２５】
以下に、本発明の合成石英ガラスストランドを製造する装置を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、合成石英ガラスストランド製造装置の一例を示す模式的説明図である。図１において、１０は合成石英ガラスストランド製造装置で、多数本の合成石英ガラスロッドＡ１を溶融するヒーター手段、例えば縦型管状電気炉１２を有している。該ヒーター手段１２内を降下することによって溶融した合成石英ガラスロッドＡ１の端部は該ヒーター手段１２の下部から高速で連続的に引き出され、合成石英ガラス長繊維Ａ２となる。
【００２７】
１４はサイジング手段で、引き出された多数本の合成石英ガラス長繊維Ａ２の表面にサイジング剤を塗付する。１６は収束手段で、サイジング剤を塗付された多数本の長繊維Ａ２を１本のストランドＡ３に束ねるものである。１本に束ねられたストランドＡ３は巻取手段１８に巻き取られる。２０は冷却ファンで、引き出された多数本の合成石英ガラス長繊維Ａ２の仮想温度を制御するために冷風を送風するものである。なお、引き出される合成石英ガラス長繊維の繊維径の制御は合成石英ガラスロッドＡ１の送り手段と引き出し速度の比により制御可能である。なお、上記工程に加え、撚り機を用いて撚りかけするヤーン工程をさらに行うことにより、ヤーンを製造することができるが、図示による説明は省略する。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明方法の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００２９】
（実施例１）
図１と同様の装置を用いて下記のように１本の合成石英ガラスストランドを製造した。直径２０ｍｍの合成石英ガラスロッドを５０本治具にセットして最高温度２０００℃の縦型管状電気炉１２内をゆっくり下降させ、溶融した端部を電気炉１２下部から高速で連続的に引き出すと同時に、引き出された繊維の仮想温度を制御するために、冷却ファン２０より送風を行いつつ、繊維径９μの合成石英ガラス長繊維を経た後、１本の合成石英ガラスストランドを作製した。
【００３０】
ここに合成石英ガラス長繊維の繊維径の制御は合成石英ガラスロッドの送り速度と引き出し速度の比により制御するが、ちなみに繊維径９μの長繊維を得るためには送り速度０．１３ｍｍ／分、引き速度６４０ｍ／分である。
【００３１】
また、得られた合成石英ガラスストランドのＯＨ基濃度、仮想温度を表１に、純度（金属不純物濃度）を表２に示す。更に当該ストランドの１ＭＨｚ及び１０ＧＨｚの高周波に対する誘電率、誘電正接を表３に、体積抵抗率及び表面抵抗率を表４にそれぞれＥガラス、Ｄガラスとの比較において示す。
【００３２】
表１においてＯＨ基濃度は赤外分光光度法、仮想温度は顕微ラマンを用いたラマン分光光度法によった。表２において金属不純物濃度はサイジング剤を除去した後、原子吸光法により測定した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
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【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
（実施例２）
実施例１と同じ合成石英ガラスを実施例１に比べて線引き速度を早くして、実施例１と同様の方法で線引きし、繊維径９μの合成石英ガラス長繊維を経て、１本の合成石英ガラスストランドを作製した。この際、冷却ファンによる冷却は行わなかった。ちなみに繊維径９μの長繊維を得るためには送り速度０．４７ｍｍ／分、引き速度２３００ｍ／分である。
【００３８】
得られた合成石英ガラスストランドのＯＨ基濃度、仮想温度を表１に示す。更にこれらのストランドの１ＭＨｚ及び１０ＧＨｚの高周波に対する誘電率、誘電正接を表３に示す。
【００３９】
（比較例１）
ＯＨ基濃度が１２００ｐｐｍの合成石英ガラスを実施例２と同様の条件で線径φ９μに線引きし、１本の合成石英ガラスストランドを作製した。
【００４０】
得られた合成石英ガラスストランドのＯＨ基濃度、仮想温度を表１に示す。更にこれらのストランドの１ＭＨｚ及び１０ＧＨｚの高周波に対する誘電率、誘電正接を表３に示す。
【００４１】
（加工性の評価）
上記実施例１、実施例２及び比較例１で得た合成石英ガラス繊維２００本を束ねた合成石英ガラスストランドを、２５ｍｍに１回の撚りかけして合成石英ガラスヤーンとした。このヤーンを用いて幅５０ｃｍ長さ５０ｃｍ、密度（経線×緯線で１１８×１１４本／５ｃｍ）の平織りの布を作製し、これにエポキシ樹脂を含侵させプレプリグとした。
【００４２】
これらのプレプリグにキリ先５０μのドリルで穿孔し、加工性の評価を行った。評価項目は穿孔された穴の形状（目視）、ケバ立ち（目視）、ドリルの寿命（何回の穿孔が可能であったか）の３項目評価で優劣を判定した。評価結果を表５に示す。
【００４３】
【表５】
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【００４４】
表１及び表５に示した如く、仮想温度が１３００℃及び１５００℃であり、ＯＨ基濃度が２００ｐｐｍである実施例１及び２では、仮想温度が１１００℃である比較例１に比べ、加工性が改善されていた。また、表３に示した如く、実施例１及び２では１ＭＨｚ及び１０ＧＨｚでの誘電率が共に３．７０以下、１ＭＨｚでの誘電正接が１×１０−４、１０ＧＨｚでの誘電正接が２×１０−４であったのに対し、比較例１では、１ＭＨｚ及び１０ＧＨｚでの誘電率が３．９２以上、１０ＧＨｚでの誘電正接が３×１０−４であった。なお、Ｅガラス及びＤガラスは、表３に示したように、高い誘電率及び誘電正接を示した。表４に示したように、実施例１、Ｅガラス及びＤガラスにおいて、体積抵抗率及び表面抵抗率は、共に１０１５Ω以上であった。なお、表２に示したように、実施例１は、金属不純物量の少ない合成石英ガラスストランドであった。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、特に１ＧＨｚを超える高周波回路に用いられる多層プリント基板用の石英ガラス繊維、及びその繊維を使用して作製した石英ガラス糸、石英ガラス布の加工性の問題を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の合成石英ガラスストランドを製造する装置を示す模式的説明図である。
【符号の説明】
１０：合成石英ガラスストランド製造装置、１２：ヒーター手段、１４：サイジング手段、１６：収束手段、１８：巻取手段、２０：冷却ファン、Ａ１：石英ガラスロッド、Ａ２：合成石英ガラス長繊維、Ａ３：ストランド。
【図１】
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