專利名稱：：研磨碳纖維增強聚合物組合物的制作方法
背景技術：
：I.發明范圍本發明一般涉及纖維增強聚合物和由其制造的制品，更具體地說，它涉及具有增大的耐磨耗性的研磨碳纖維(MCF)增強高溫熱塑性聚合物，該聚合物還具有消散靜電的性能。該組合物具有合乎需要的機械和物理性能，包括優異的磨擦和磨耗性能，以及低放氣性，因此使該組合物可用于制造某些注塑零件。II.有關技術討論過去已使用過各種耐磨耗的聚合物組合物，用來制造注塑零件。這種耐磨耗化合物的一個特定使用領域包括某些用來加工半導體片的器件。這些器件包括半導體片盒、半導體片運輸箱和其它有關器件。這些器件可由耐磨耗聚合物模塑而得到，因為這些器件的表面在加工、運輸或儲存的過程中要受到磨耗。當某種這樣設備的一個表面與另一表面相接觸時，就會發生磨耗。因此，越來越可能發生的是要從被磨損的表面上釋放出顆粒物。生產半導體片要求特別清潔的環境，不能有象磨下的粒狀物那樣的污染物，也要求使用具有低放氣性的材料，以減少聚集在片表面上的膜。在環境中有任何小顆粒、蒸汽或靜電放電都會有害于半導體的生產，包括半導體片本身。在努力減少空氣懸浮粒子并與之斗爭的過程中，使用了耐磨耗聚合物以減少在各種操作中所產生的磨損顆粒。為了保護半導體片使之不受由于聚積靜電而造成的損害，也為了減少由于靜電而吸引空氣中的浮塵，半導體工業用碳粉填充聚丙烯(PP)制造了SEMI標準半導體片運輸器及SMIF箱和盒。碳粉填充聚合物的表面電阻率一般為105～109Ω，而這樣的電阻率會減少對空氣浮塵的吸引。然而，已經發現，用碳粉填充PP模塑的器件在受到磨損時會散出極細小的顆粒。在加工過程中，這些磨下的粒子具有損壞加工設備和半導體片的危險。因此，對可用制造滿足SEMI標準的器件和其它在制造半導體片工藝中使用的器件的聚合物，需要改進其耐磨耗性。田中(Tanaka)等人的美國專利5,162,157公開了一種用來制造平面軸承或自潤滑零件的復合材料。田中的材料含有5％～30％(vol)的金屬鉛、5.5％～50％(vol)的填料，其它是聚四氟乙烯(PTFE)。田中認為碳纖維是合適的填料。對這種復合材料，人們注意到，用它制造的器件改善了磨擦和摩耗性能。把這種復合材料浸入到襯里金屬中并加熱就會在該金屬上形成一滑動表面。所公開的復合材料不具備有105～109Ω的表面電阻率，所以由于磨損而散出的顆粒將被吸引到由田中復合材料模塑的器件上。結果，在制造用于加工半導體片的半導體片器件中時，這種復合材料就沒有優越性。再有，當用于注塑工藝時，存在著非一致的流動和收縮，這就會引起模塑器件的翹曲。因此需要讓一種復合材料具有105～109Ω的表面電阻率，使之可用于注塑來制造均勻的零件。竹內(Takeuchi)等人的美國專利5,079,281公開了一種由PP、羧基、某些用鹽水處理過的增強纖維和著色劑組成的復合材料。該羧基包括由接枝聚合結合的PP。竹內的復合材料使用了碳纖維來增大強度。一般說來，在注塑工藝中的流動方向碳纖維會阻止收縮。但是在與流動方向垂直的方向碳纖維不會阻止收縮。因此，差別化的收縮會造成或擴大了翹曲，使零件的尺寸穩定性下降。所以需要一種可用于注塑工藝的材料，要求它具有105～109的表面電阻率、在磨損時不散出顆粒而且在模塑時不會翹曲。本發明通過提供一種增強聚合物，它具有低的摩耗特性，而且用它加工的制品具有低放氣性，從而克服了有關復合材料的缺點。該復合材料還有高達105～109Ω的表面電阻，因此，所提供的材料適合于制造在半導體片生產工藝中使用的器件。再有，這種獨特的復合材料提供了均勻的注塑零件。發明概要本發明的首要目標是提供一種增強聚合物或復合材料，其表面電阻率為105～109Ω，而且當這種增強聚合物受到磨損時，散出的粒子數量較少。該聚合物包括選自聚烯烴和聚酰胺的基礎樹脂。在此基料中加入MCF作為增強填料。使用區別于其它增強填料的MCF有助于同時減小在注塑工藝的流動方向和垂直于流動方向上的不均勻零件收縮。當本發明的組合物用于半導體制造領域時，比如制造半導體片盒和/或半導體片運輸箱，最好使用高純MCF。當然這樣的纖維是要容易買到的。加入MCF就得到了具有增強了耐磨耗性的增強聚合物。為了進一步減少散發出的磨損粒子的數量，可以在復合材料中加入PTFE粉。眾所周知PTFE粉具有耐化學性同時有潤滑性和韌性。通過在復合材料中加入PTFE，當受到磨損時MCF被更緊密地保持住。PTFE粉(球狀或珠狀)也產生一個光潔的滑動表面。此光潔的滑動表面進一步減少了散放的磨損粒子的量。雖然本發明可以使用聚烯烴或者聚酰胺作為基礎樹脂，本領域技術人員將會承認，PP、聚醚醚酮(PEEK)和聚鄰苯二甲酰胺(PPA)特別可用作基礎樹脂，用于注塑制造半導體片時使用的器件的基礎樹脂。使用PP、PEEK和PP作為模塑半導體片加工器件這一說法，在本發明的說明中并不構成限制。本領域技術人員將會理解，某些其它類型的聚烯烴和聚酰胺可作為基礎樹脂用在要求使用增強耐磨聚合物的器件中，其電性能為105～109，能消散靜電，且有均勻而穩定的注塑收縮因數。因此，本發明的一個主要目標是提供一種MCF增強聚合物，它可用于注塑工藝得到均勻的、表面電阻率為105～109的模塑器件，并有助于消散靜電和盡量減少靜電放電。本發明的另一目標是提供一種增強的復合材料，它能盡量減少受到磨耗時散出的粒子。本發明的再一個目標是提供一種增強的復合材料，在注塑過程中它能表現出盡可能小的翹曲。本發明的又一個目標是提供一種增強的復合材料，它可以用來模塑在加工半導體片時使用的器件，其中該模塑制件的電阻率為105～109Ω，而且當表面磨耗時會減小磨耗量和散出的細粒子量。本發明的這些目標和其它目標，及這些和其它特點還有本發明的優點，通過閱讀下面詳述的優選實施方案，對本領域的技術人員將是十分明白的。優選實施方案詳述本發明的增強聚合物或復合材料由一定數量的均聚基礎樹脂和一定數量的純MCF。基礎樹脂選自聚烯烴和聚酰胺。在優選實施方案中，復合材料含有66％～81％(vol)的基礎樹脂。與其它增強聚合物相比，此得到的增強聚合物在磨耗時散放出更少的粒子。此增強聚合物在注塑的流動方向和垂直于流動的方向也具有均勻的零件收縮。復合材料還含有一定數量的PTFE粉。加入PTFE粉進一步降低了散發出的磨損粒子的量。在優選實施方案中，8％～10％(vol)的PTFE和基礎樹脂及MCF結合在一起。MCF的平均纖維長度小于0.010英吋，直徑為0.0007～0.0009英吋。MCF的這樣尺寸和長度使得在注塑過程中基礎樹脂可在MCF周圍自由流動。MCF能在注塑過程中的流動軸和垂直于流動軸方向上都均勻地阻止零件收縮，因此，模塑制件在尺寸上是穩定的，不會有擴大的翹曲。在制造某些MCF時，一般會在MCF中混入污染物。本領域的技術人員將會理解，使用純MCF會增大模塑零件的尺寸穩定性。MCF通過與樹脂本體之間進行″編織″來增強選擇的基礎樹脂。由這種編織樹脂制得的模塑零件在其表面磨損時，不會散出同樣多的粒子。MCF的量也會影響該復合材料的表面電阻率。正如所料，隨著加入MCF量的增加表面電阻率減小。在優選實施方案中，MCF的量為19％～34％(vol)。雖然本發明可以使用聚烯烴或聚酰胺作為基礎樹脂，本領域的技術人員承認PP、PEEK和PPA特別可作為基礎樹脂，用來注塑在加工半導體片時使用的器件。使PP、PPA或PEEK作為與MCF相結合的基礎樹脂可以制得表面電阻率為105～109Ω的復合材料，而且它還耐表面磨耗。PPA是一種高溫高性能半結晶熱塑性聚合物。PPA的商品名是Amodel，可由伊利諾斯州芝加哥的AmocoPerformanceProducts公司出售。PEEK也是一種商溫高性能熱塑性聚合物，它可由特拉華州威明頓市的E.I.DuPontdeNemours公司出售。本領域的技術人員將會理解，選自聚酰胺和聚烯烴的基礎樹脂PP、PPA和PEEK都顯現出如下的特性高溫穩定性、良好的尺寸穩定性、良好的磨耗和磨擦性能、良好的注塑流動性。這些普通的性能使任何一種這類均聚物成為可用于注塑在加工半導體片時使用的零件時作為合適的基礎樹脂。實施例下面將敘述本發明的實施例。一定數量的基礎樹脂PP、PPA和PEEK各自與一定量的MCF結合。一定數量的基礎樹脂PP、PPA和PEEK也可以各自與一定數量的MCF及一定數量的PTFE結合。一般說來使用PP均聚物(PPHP)因為這種材料已經商品化。涉及這類復合材料性能的詳細數據列在表1和表2中。所有性能數據的測試方法都是按照美國材料測試協會(ASTM)方法進行的。ASTM是一個科技組織，它確定了標準化的測試方法，借此來保證對所測組合物所表示出的性能數據是一致的。復合材料的流動特性指出了材料是否具有高溫穩定性。流動特性會影響注塑零件的尺寸穩定性。復合材料的流動特性也會影響具有低分邊模塑薄壁截面的穩定性和尺寸穩定性。每種復合材料的熔體流動數據包括在表1和表2中，表3和表4顯示了復合材料的熱性能。對于注塑工藝來說，復合材料的熱性能也是重要的。DSC測試表明了每種復合材料的熱性能。在表3和表4中包括了每種復合材料的峰最大值、峰起始值和熔融熱。當復合材料用于生產半導體的應用時，可能希望讓主體材料在模塑前進行一種放氣操作，放氣也可作為后硫化操作來進行。對于放氣操作使用正常的條件和操作參數。實施例I將PP基礎樹脂與高純MCF共混，含有30％(vol)的纖維，其它70％是PP。MCF的平均纖維長度約為0.01英吋，平均纖維直徑為0.0008英吋。共混后將復合材料進行模塑操作，制備出復合試樣零件。在模塑時共混的復合材料流動良好，無需用一般的、專門的或特定的步驟或設備來進行和完成此模塑操作。已經發現增強聚合物具有增大的耐磨耗性。實施例I中對各種類型復合材料進行磨耗測試得到的數據在表5和表6中予以詳述。在1cm厚的復合材料件上配置1kg的重量。總的磨耗表面積大約0.8cm2。然后在一個周長2.5英尺的不銹鋼臺上轉動此復合材料。在轉動500轉以后，清洗不銹鋼臺，再稱量復合材料的重量。對每種復合材料進行總數為5,000圈的測試。然后把整個測試規一為每500轉復合材料的重量變化。實施例II將聚鄰苯二甲酰胺樹脂與MCF共混，含纖維30％(vol)，其余70％為PPA。MCF的平均纖維長度約為0.01英吋，平均纖維直徑約為0.0008英吋。共混后，將復合材料進行模塑操作以制備復合試樣零件。在模塑過程中，共混的復合材料流動良好，無需一般的、專門的或特定的步驟或設備來進行和完成此模塑操作。實施例III將PEEK基礎樹脂與MCF共混，纖維含量為22％(vol)，其余78％為PEEK。MCF的平均纖維長度約為0.01英吋，平均纖維直徑為0.0008英吋。在共混后將復合材料進行模塑操作以制備復合試樣零件。在模塑過程中共混的復合材料流動良好，而且無需一般的、專有的和特定的步驟或設備來進行和完成模塑操作。按照實施例I、II和III所制備的測試試樣，它們的性質是這樣的，用一般在下面表1～6中顯示的結果看，它們是很有鼓勵性的。此外，由這種復合材料模塑的制品，當模塑前進行了放氣操作時，它會顯示優異的性能。性能數據表1p單位測試方法實施例1(測試1)實施例2(測試2)實施例3(測試3)實施例4(測試4)實施例5(測試5)％PPHp％----------7572.5667562.5％PPA％---------------------------------------------％PEEK％---------------------------------------------％MCF％----------2527.534-------％CF％-------------------------------2527.5％PTFE％--------------------------------------10</table></tables>(表續1)</tables>(表續1)表2</tables>(表續2)DSC測試表3</tables>表4磨耗測試表5材料單位實施例19(測試1)實施例20(測試2)實施例21(測試3)實施例22(測試4)實施例23(測試5)PPHP％7572.5667562.75PPA％-----------------------------------PEEK％-----------------------------------MCF％2527.534--------------CF％---------------------2527.5PTFE％----------------------------10總圈數N/A5,0005,0005,0005,0005,000規一化每500圈的重量變化mg/cm20.060.062.660.060.16</table>表6<tablesid="table10"num="010"><tablewidth="1173">材料單位實施例24(測試6)實施例25(測試7)實施例26(測試8)實施例27(測試9)PPHP％--------------------------------PPA％7161----------------PEEK％----------------7868MCF％29292222CF％--------------------------------PTFE％--------10--------10總圈數N/A5,0005,0005,0005,000規一化每500圈的重量變化mg/cm21.330.70.610.24</table></tables>正如在表1～6中所表現出的，MCF與PP(包括PPHP、PPA或PEEK的結合使復合材料具有了改進的耐磨耗性能，105～109Ω之間的表面電阻率，它可在注塑中用來制造均勻的零件。如此所述的本發明顯然可以許多方法加以變化。這些變化不被看作超出本發明精神和范圍，對本領域技術人員這些變化是明顯的，認為也包括在如下權利要求的范圍中。權利要求1.一種增強的耐磨耗組合物，它包括選自聚烯烴和聚酰胺的一種基礎樹脂和一種研磨的碳纖維填料，其平均纖維長度短于約0.010英吋，而平均直徑為0.0007～0.0009英吋；其中該復合材料含有數量為約66％～81％(vol)的基礎樹脂，其余部分是研磨碳纖維填料。2.按照權利要求1的復合材料，其中的基礎樹脂包括用量為66％～75％(vol)的聚丙烯。3.按照權利要求1的復合材料，其中的基礎樹脂包括用量為68％～74％(vol)的聚鄰苯二甲酰胺。4.按照權利要求1的復合材料，其中的基礎樹脂包括用量為75％～81％(vol)的聚醚醚酮。5.按照權利要求1的復合材料，其中的基礎樹脂包括選自聚烯烴和聚酰胺的均聚物。6.按照權利要求1的復合材料，它還包括一定量的聚四氟乙烯粉末，其中該組合物含有54％～72％(vol)的基礎樹脂、20％～34％(vol)的研磨碳纖維和8％～12％(vol)的聚四氟乙烯粉末，這里的基礎都是所述復合材料的總體積。7.用于在加工半導體片時使用的器件注塑用的增強耐磨耗復合材料，它包括聚丙烯均聚物和研磨碳纖維填料，纖維的平均長度短于約0.010英吋，而平均直徑為0.0007～0.0009英吋，所述材料的表面電阻率為105～109Ω；其中的復合材料含有66％～75％(vol)的聚丙烯，其余為研磨碳纖維填料。8.按照權利要求7的復合材料，它還含有一定數量聚四氟乙烯粉末，其中，聚丙烯的含量為54％～67％(vol)、研磨碳纖維填料的含量為25％～34％(vol)而聚四氟乙烯粉末的含量為8％～12％(vol)。9.用于在加工半導體片時使用的器件注塑用的增強耐磨耗復合材料，它包括聚鄰苯二甲酰胺均聚物和研磨碳纖維填料，纖維的平均長度短于0.010英吋，而平均直徑為0.0007～0.0009英吋，所述材料的表面電阻率為105-109Ω；其中的復合材料含有68％～74％(vol)的聚鄰苯二甲酰胺，其余為研磨碳纖維填料。10.按照權利要求9的復合材料，它還含有一定數量的聚四氟乙烯粉末，其中該復合材料含有56％～66％(vol)的聚鄰苯二甲酰胺、26％～32％(vol)的研磨碳纖維和8％～12％(vol)的聚四氟乙烯粉末，基礎是所述復合材料的總體積。11.加工半導體時的運輸箱，它包括含有如下成份的增強耐磨耗復合材料聚醚醚酮的均聚物和研磨碳纖維填料，纖維的平均長度短于約0.010英吋，平均直徑為0.0007～0.0009英吋，所述材料的表面電阻率為105～109Ω；其中該材料含有75％～81％(vol)的聚醚醚酮，其余為研磨碳纖維填料。12.按照權利要求11的復合材料，它還含有一定數量的聚四氟乙烯粉末，其中該材料含有64％～72％(vol)的聚醚醚酮、20％～24％(vol)的研磨碳纖維和8％～12％(vol)的聚四氟乙烯粉末，基礎是所述材料的總體積。全文摘要一種研磨碳纖維增強聚合物具有增大的耐磨耗特性。這種增強聚合物含有選自聚烯烴和聚酰胺的基礎樹脂。與一定數量研磨碳纖維相結合的基礎樹脂還可以進一步與聚四氟乙烯結合。得到的復合材料具有優異的摩擦和磨耗性能，可用來制造注塑零件。這種模塑零件具有高抗沖強度，顯示出尺寸穩定性，是一種耐磨耗和靜電發散材料，用這種復合材料作為在半導體的某些加工操作過程中的支持夾具具有特殊的用途。文檔編號H01L21/673GK1165523SQ95195271公開日1997年11月19日申請日期1995年5月24日優先權日1994年9月26日發明者布雷恩·馬森蓋爾,保羅·紹爾,查爾斯·達勒,巴里·格雷格蓀,邦尼·巴克曼,托馬斯·厄斯特勒申請人:伊帕克股份有限公司