(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル又はニッケル合金めっき金属をマグネシウム金属基材上に無電解めっきする方法であって、
２５〜６０ｇ／Ｌの塩化ニッケル六水和物を含むｐＨ５の第一の浴溶液を調製する工程と、
４０〜７５ｍｌ／Ｌのエチレンジアミン、
３０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、及び
３〜８ｇ／Ｌの水素化ホウ素ナトリウム
を含む前記第一の浴溶液と物理的に分離された第二の浴溶液を調製する工程と、
前記第一及び第二の浴溶液を混合して１２以上のｐＨを有する混合めっき液溶液を作製する工程と、
前記第一及び第二の浴溶液を混合してから８４時間以内にマグネシウム金属基材を前記混合めっき液溶液に浸漬する工程と
を有する方法。
【請求項２】
前記めっき金属がニッケル−ホウ素合金である請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記混合めっき液溶液のｐＨが１３以上であり、前記マグネシウム金属基材を前記混合めっき液溶液に浸漬する時間が１〜６０分間である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記マグネシウム金属基材を前記混合めっき液溶液に浸漬する時間が１０〜３０分間である請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記マグネシウム金属基材を浸漬する間前記混合めっき液溶液の温度を８０〜９５℃に維持する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第一及び第二の浴溶液を、１：１の体積比で、連続バッチ法によって混合する請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
マグネシウム基材上にニッケル−ホウ素めっき金属を無電解めっきする方法であって、
２５〜５０ｇ／Ｌの塩化ニッケル六水和物を含むｐＨ５の第一の浴溶液成分を調製する工程と、
５０〜７５ｍｌ／Ｌのエチレンジアミン、
３０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、及び
３〜８ｇ／Ｌの水素化ホウ素ナトリウム
を含む前記第一の浴溶液成分と物理的に分離された第二の浴溶液成分を調製する工程と、
前記第一及び第二の浴溶液成分を、１３以上のｐＨを有する混合めっき溶液を得られるように選択された比で混合する工程と、
前記第一及び第二の浴溶液成分を混合してから８４時間以内にマグネシウム基材を前記混合めっき溶液に浸漬する工程と
を有する方法。
【請求項８】
前記比が、１４のｐＨを有する混合めっき溶液を得られるよう選択された比である請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記マグネシウム基材を浸漬する間、前記混合めっき溶液の使用温度を８０〜９５℃に維持する請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記マグネシウム基材を前記混合めっき溶液に浸漬する時間が１〜６０分である請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記マグネシウム基材を前記混合めっき溶液に浸漬する時間が１０〜３０分である請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記マグネシウム基材を前記混合めっき溶液に浸漬する時間が最大３０分である請求項１０又は１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第一の浴溶液成分と前記第二の浴溶液成分とを５時間以上物理的に分離する請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の浴溶液成分と前記第二の浴溶液成分とを７２時間以上物理的に分離する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第一及び第二の浴溶液を混合してから７２時間以内にマグネシウム金属基材を前記混合めっき液溶液に浸漬する請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記第一及び第二の浴溶液成分を混合してから７２時間以内にマグネシウム基材を前記混合めっき溶液に浸漬する請求項７〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１０年１０月１３日に申請された米国仮出願第６１／３４４，８００号，２０１１年３月３０日に申請された米国仮出願第６１／４５７，４４６号、及び２０１１年４月２６日に申請された米国仮出願第６１／４５７，５９０号について、合衆国法典第３５編１１９条（ｅ）の利益を主張するものである。
【０００２】
技術分野
本発明は、基材上に金属を無電解析出又はめっきする方法に関する。具体的には、１１．５を超える高ｐＨ、最も好ましくはｐＨ１３．５〜１４において可溶であるめっき金属及びめっき金属合金のための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
無電解被覆方法においては、ｐＨが１１以上のアルカリ性めっき浴は有害であることが一般に知られている。これは、析出速度が急激に低下し、無電解めっき浴溶液の可使時間が減少するためである。このように溶液可使時間が減少することから、これまで高アルカリ性無電解めっき溶液の使用は商業的に不可能であるとされてきた。更に、高アルカリ性めっき溶液を用いた試験はたいていの場合、ｐＨ１３以上で金属析出は停止するという結果を示す。
【０００４】
本出願人は、より反応性の高い基材としては、極めて軽く入手しやすい金属素材であり、良好な構造特性と機械特性を有するマグネシウムが、他のより重い金属に代わる最適な基材であることに気付いた。マグネシウムめっきの大きな課題は、マグネシウムと別の金属とが機械的に接触するとそれらの間に導電性が生じ、ガルバニック効果でマグネシウムが急速に酸化腐食することがあるということである。
【０００５】
マグネシウムのようなより反応性の高い基材の場合、従来の無電解析出溶液を用いると形成される皮膜が不均一になる傾向がある。これは、基材の表面酸化及び／又は腐食によって無電解析出作用が阻害されるためである。このため、従来の無電解めっき浴溶液は、反応性金属基材表面の酸化及び／又は腐食を防げないばかりかそれらを促進してしまうという難点を有しており、所望の被膜をまばらに析出させることができるにすぎない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在のところ、マグネシウムの酸化腐食を防止する手段としては、マグネシウムと他の金属とを電気的に絶縁させることが最も効果的である。しかし、そのような絶縁めっき系を適用できる分野は限られており、結果的にマグネシウムの用途を制限することとなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来の無電解めっき方法に付随するこれらの難点の少なくとも幾つかを解消するため、本発明は、２つの別個の調製成分溶液からなる無電解めっき浴を用いためっき方法を検討する。該２つの成分溶液は別々に作製することが好ましく、その後めっき作業の直前、好ましくは約５日前以内に混合する。これにより、約１１．５より高いｐＨを持つ高アルカリ性めっき溶液が得られる。該ｐＨは約１３より高いことが好ましく、約１３．５〜１４であることが最も好ましい。
【０００８】
この二液めっき浴の成分溶液の１つは金属塩又はめっき用イオン源を含み、初めはホルムアルデヒド、及びパラホルムアルデヒドを含むもう一方の第二の調製成分溶液とは分離しておく。該ホルムアルデヒド及びパラホルムアルデヒドは、金属塩を基材上に析出させたい金属に還元させるために用いられる。各成分溶液はさらに水酸化ナトリウムを含み、その濃度は、両成分溶液を約０．５：１〜１．５：１、好ましくは０．７：１〜１：１の比率で混合した場合において、得られる混合液が、ｐＨが１１．５より高い最終アルカリ性めっき浴溶液となるように選択される。ｐＨは１３より高いことが好ましく、約１３．５〜１４であることが最も好ましい。
【０００９】
各成分溶液を予調製液として調製し、めっき作業の７日前まで、好ましくは３．５日以前まで物理的に分離しておくことが好ましい。
【００１０】
本出願人は、２つの予調製成分溶液を混合してめっき浴溶液を調製する方法により、浴成分の保存可能時間が延び、該溶液の安定性が増し、大規模な商業向け無電解めっき方法における該溶液の使用が可能になることを見出した。詳細には、従来のｐＨが１１．５より高い高アルカリ性めっき溶液を用いると、めっき浴中の水酸化ナトリウムがめっき金属の沈殿を引き起こすことがあり、これにより浴の保存可能時間が減少することを見出した。めっき浴成分溶液同士を分離させておくことにより、両成分溶液は前もって調製される。これらを後に混合することにより、バッチ法又は商業用連続めっき法の一工程として高ｐＨめっき浴を作製することができる。
【００１１】
本出願人は、本発明の方法を用いれば、一実施形態において、ｐＨ約１３．５〜１４の高アルカリ性めっき浴中でマグネシウムを所定の金属で有利にめっきできることを見出した。これにより、マグネシウムが他の金属と機械的に接触する際のガルバニック効果を防止できる。このため、本発明の方法により、マグネシウム構造体全体の導電性を維持しつつ、同時にガルバニック・カップルの形成を防ぐことが可能になる。従って、本発明の無電解析出方法は、マグネシウムが、異種素材が機械的に接合している様々な構造体又は集合体において使用されうることを想定する。
【００１２】
また本出願人は、マグネシウム、マグネシウム合金、及びその他の反応性金属用に確立された高アルカリ性析出浴において、銅等のめっき金属の無電解クラッディングは、限定的ではないことを見出した。別の実施形態において、本願方法はシリコン基材上に銅等の金属めっきを施す際にも好適に用いられる。マグネシウムの場合と異なり、シリコン上に金属を無電解析出させる場合は、腐食を軽減させるための高アルカリ性浴は必要ない。ただし、パラホルムアルデヒドのようなホルムアルデヒド誘導体還元剤を過剰に含む環境の場合、ｐＨ１１．５を超え、より好ましくはｐＨ１３．５付近である高アルカリ性で無電解銅析出を向上させることができる。
【００１３】
本発明の高ｐＨ無電解被覆浴はまた、他の金属及び合金の皮膜を種々の基材に施すのに有利に用いることができる。基材のさらなる例としてはベリリウム、バナジウム、及びチタンが挙げられるが、これらに限定されない。高ｐＨ無電解被覆方法は、様々なめっき用又は被覆用の金属及び合金に有用である。これら金属及び合金の例としては、１１．５より高いｐＨ、好ましくは１３より高いｐＨ、最も好ましくは１３．５〜１４のｐＨにおいて可溶である銀、銅、ニッケル／タングステン、ニッケル、ホウ素、及びその他の金属及び合金が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１４】
本発明の二液めっき浴を用いる無電解被覆系はまた、非金属粒子含有のドープされたハイブリッド溶液を含んでいてもよい。非金属粒子としてはダイアモンド、テフロンＴＭ（登録商標）、セラミック、及び／又はモリブデンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１５】
すなわち、本発明の一側面は、めっき金属を基材上に無電解めっきする方法であって、１０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、４０〜１２０ｇ／Ｌの酒石酸カリウムナトリウム、及び金属塩を含む第一の浴溶液を調製する工程と、４０〜７５ｇ／Ｌのパラホルムアルデヒド及び３０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを含む前記第一の浴溶液と物理的に分離された第二の浴溶液を調製する工程と、前記第一の浴溶液及び前記第二の浴溶液を混合し、１１．５より高いｐＨを有する混合めっき浴溶液を作製する工程と、めっき対象基材を前記混合溶液に浸漬する工程とを有し、前記金属塩は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、及びこれらの合金からなる群より選択されるめっき金属を含む方法である。
【００１６】
本発明の別の側面は、ニッケル又はニッケル合金めっき金属をマグネシウム金属基材上に無電解めっきする方法であって、２５〜６０ｇ／Ｌの塩化ニッケル六水和物を含む第一の浴溶液を調製する工程と、４０〜７５ｍｌ／Ｌのエチレンジアミン、３０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、及び３〜８ｇ／Ｌの水酸化ホウ素ナトリウムを含む前記第一の浴溶液と物理的に分離された第二の浴溶液を調製する工程と、前記第一及び第二の浴溶液を混合して１２以上のｐＨを有する混合めっき液溶液を作製する工程と、基材を前記混合溶液に浸漬する工程とを有する方法である。
【００１７】
本発明の更に別の側面は、基材上に無電解銅めっきを行う方法であって、１５〜２５ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、６０〜１００ｇ／Ｌの酒石酸カリウムナトリウム、及び３５〜４０ｇ／ＬのＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏを含む第一の浴成分溶液を調製する工程と、５０〜６５ｇ／Ｌのパラホルムアルデヒド及び２０〜４５ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを含む前記第一の浴成分溶液と物理的に分離された第二の浴溶液成分を調製する工程と、前記第一及び第二の浴溶液を０．５：１〜１．５：１の比で混合し１３以上のｐＨを有する混合めっき液溶液を作製する工程と、前記浴の使用温度を約１７〜３２℃とし、めっき対象の基材を前記混合溶液に浸漬する工程とを有する方法である。
【００１８】
本発明の更に別の側面は、基材上に無電解銅めっきを行う方法であって、１０〜３０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、４０〜１２０ｇ／Ｌの酒石酸カリウムナトリウム、及び２０〜４５ｇ／Ｌの硫酸銅五水和物を含む第一の浴成分溶液を調製する工程と、４０〜７５ｇ／Ｌのパラホルムアルデヒド及び２０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを含む前記第一の浴成分溶液と物理的に分離された第二の浴成分溶液を調製する工程と、前記第一及び第二の浴溶液を混合し、１３より高いｐＨを有する混合めっき液溶液を作製する工程と、めっき対象の基材を前記混合溶液に浸漬する工程とを有し、前記基材はマグネシウム、アルミニウム、及びこれらの合金からなる群より選択される金属を含む方法である。
【００１９】
本発明の更に別の側面は、マグネシウム基材上にニッケル−ホウ素めっき金属を無電解めっきする方法であって、２５〜５０ｇ／Ｌの塩化ニッケル六水和物を含む第一の浴溶液を調製する工程と、５０〜７５ｍｌ／Ｌのエチレンジアミン、３０〜５０ｇ／Ｌの水酸化ナトリウム、及び３〜８ｇ／Ｌの水素化ホウ素ナトリウムを含む前記第一の浴溶液成分と物理的に分離された第二の浴溶液成分を調製する工程と、前記第一及び第二の浴溶液成分を、１３以上、好ましくは約１４のｐＨを有する混合めっき溶液を得られるように選択された比で混合する工程と、マグネシウム基材を前記混合溶液に浸漬する工程とを有する方法である。
この方法では、マグネシウム基材を前記混合溶液に浸漬する時間は約１〜６０分であり、好ましくは１０〜３０分である。
この方法では、第一の浴溶液成分と前記第二の浴溶液成分とを５時間以上、好ましくは７２時間以上物理的に分離する。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
金属析出用高アルカリ性めっき浴溶液は、金属塩溶液である第一構成成分（溶液Ａ）及び最終浴溶液の溶媒成分である第二構成成分（溶液Ｂ）の２つの構成成分から調製する。成分溶液はいずれも水酸化ナトリウムを含む。水酸化ナトリウムの濃度は、各成分の安定性を維持しつつ、２つの成分溶液の混合液が、反応性金属基材及びシリコン系基材のいずれをめっきにする際も基材使用に好適な最終高アルカリ性めっき浴となるように選択する。２つの成分溶液は別々に調製し、製造工程で使用する直前まで分離した状態で保存する。具体的には、好ましくはめっき作業の８４時間前以降、より好ましくは７２時間前以降に２つの成分溶液を所望の比で混合することで、加工用部材用の最終無電解金属析出浴を作製する。
【００２１】
別々に調製し保存した成分溶液を用いることで、ｐＨが約１３より高く、好ましくはｐＨが約１３．５〜約１４の高アルカリ性無電解銅析出浴とすることができる。また、この最終溶液は、水素含有量が極めて小さい。溶媒成分溶液は従来アノード反応の活性物質として用いられてきたホルムアルデヒドに代わり、パラホルムアルデヒド（最小のポリオキシメチレン）を含むことがより好ましい。
【００２２】
本願方法は、限定はされないが、特にマグネシウム及びマグネシウム合金のめっきにおいて様々な利点を持つと考えられる。本願方法によれば、マグネシウム基材はガルバニック酸化しない別の金属内に完全に被包され、その部材のマグネシウム核のガルバニック酸化を防止できると考えられる。
【００２３】
加えて、高ｐＨ無電解めっき方法用めっき浴を作製するために組み合わされる二液成分溶液は、各々が安定性を維持し、長期保存が可能である。
【００２４】
また、高ｐＨ析出浴を用いれば、表面に所望の金属が析出する前にめっき対象の高反応性金属基材が酸化されることを防止できる。従って、めっき浴が高ｐＨであれば、所望の皮膜の形成を妨げうるような著しい表面酸化が発生する前に、高反応性素材の表面を完全に被覆しうる環境となる。
【実施例】
【００２５】
上記二液成分溶液を用いて、実験用高アルカリ性無電解めっき浴を下記のように調製した。
【００２６】
実施例１  −マグネシウム／マグネシウム合金の銅クラッディング
【００２７】
高アルカリ性析出浴からマグネシウム合金を直接無電解銅クラッディングする場合については、成分金属塩溶液と溶媒溶液を調製し混合して析出浴を調製した。溶液の調製は概ね下記のように行った。
【００２８】
【表１】
0005937086.tif 000002
注：基材がマグネシウムのように析出浴内で腐食しないので、浴内では様々な成分を用いてよい。
【００２９】
試験片の作製
【００３０】
基材としてＡＺ９１Ｄ及びＡＭ５０マグネシウム合金（組成を表２に示す）を用い、これらをカットし２ｃｍ×３ｃｍ×０．５ｃｍの金属試片とした。試験片の２×３ｃｍ面の上端に穴をあけ、非伝導性のナイロン線で析出浴内に吊るせるようにした。初期表面の均一性を確保するため、試験片をグリット２４０のＳｉＣエメリー研磨紙で湿式研磨し、蒸留水ですすいだ。
【００３１】
試験用析出浴
【００３２】
無電解銅析出試験のための高アルカリ性析出浴を表３〜４に従って調製した。
【００３３】
【表２】
0005937086.tif 000003
【００３４】
溶液Ａ
溶液Ａにおいては、脱イオン水１リットルに対して下記を添加した。
【００３５】
【表３−１】
0005937086.tif 000004
【００３６】
溶液Ｂ
溶液Ｂにおいては、脱イオン水１リットルに対して下記を添加した。
【００３７】
【表３−２】
0005937086.tif 000005
【００３８】
溶液成分Ａ及びＢはいずれも高い安定性を示し、室温における保存可能時間が長かった。調製後、成分溶液Ａ及びＢを混合し、混合無電解めっき溶液を得た。得られた混合無電解めっき溶液は約１３．５〜１４の高ｐＨであり、可使時間は室温で４８時間以上であった。しかし、使用される混合めっき溶液の保存可能時間は、溶液温度、溶液を用いて行う処理の量、及び溶液Ａの溶液Ｂに対する比に依存することがわかった。これらの変動要素が可使時間に与える影響は下記のようなものである。
１．温度が高いほど溶液の活性時間は短くなる
２．処理負荷が高いほど溶液の活性時間は短くなる。
３．溶液Ａに対する溶液Ｂの比が大きいほど、溶液の活性時間は短くなる。
【００３９】
析出手順
【００４０】
試験片を外気に曝しながらグリット２４０のＳｉＣエメリー研磨紙を用いて乾式研磨し、急速に形成される酸化／水酸化皮膜を除去した。研磨は、絶縁酸化皮膜の形成をそれ以上促進しないよう、試験片に発生する熱が最少となるように行われた。続いて、試験片を表１に示す温度の無電解析出浴（浴Ａ及びＢを１：１で混合したもの）に投入した。
【００４１】
十分な析出時間をおいた後、試験片を取り出し蒸留水ですすぎ、吊るして乾燥させた。乾燥速度を上げるためには、試験片の基部を非伝導性ワイヤに接触させて、吸着水の流れが試験片と離れる方向に向かうようにすると効果的であることがわかった。
【００４２】
結果
【００４３】
初めにＡＺ９１ＤＭｇ合金上で数組の析出を行い、酸化物のはたらきを特定した。２つの試験片を同時に無電解Ｃｕめっき浴に投入した。２つのめっき浴の温度は同一の室温であった。ただし、まず両試験片をグリット２４０のＳｉＣペーパーで湿式研磨し、３週間外気に曝して乾燥させた。その後の試験片のうち１つを研磨し、本手順に従って、可能な限り速やかに析出浴に投入した。もう一方の試験片は処理しなかった。最後に両試験片を析出浴内に２０分間放置し、取り出した。酸化した方の試験片には、析出は実質的に起こらなかった。一方、被覆された試験片上の析出層は質がより良く、肉眼においてもＥＤＳによる観察においてもより連続であった。
【００４４】
上述の二液溶液を用いれば、下記のような、成分溶液Ａ及びＢをバッチ法又は連続無電解めっき系の一工程として混合する商業用マグネシウム／マグネシウム合金めっき方法が得られる。
【００４５】
１．酸化表面皮膜を除去して、被覆対象のマグネシウム合金表面を処理する。表面酸化物は種々の研磨処理によって機械的に除去してもよいし、化学浸漬法を用いてもよい。又は、プラズマによって除去してもよい。
２．その後、被覆対象の合金基材表面を洗浄する。
３．一度酸化皮膜が除去されると、露出したマグネシウム合金が空気に触れ、すぐに酸化し始める。そのため、表面を処理した合金基材は、酸化物除去から３０分未満のうちに被覆浴に浸漬することが非常に好ましい。
４．被覆対象のマグネシウム表面は、所望の銅皮膜の厚みに応じて、１５〜３０分間析出浴に完全に没することが好ましい。
マグネシウム上の銅析出速度は、下記の要因及び変動要素の累積的効果によって決まる。
【００４６】
ａ．皮膜形成速度は浴温度が高いほど速くなる。現時点では、全有効温度範囲の正確な検証は行われていない。しかし、素材の性質から上限温度は存在し、それは更なる実験によって確定されると思われる。さらに、１浴あたりの最大量の皮膜析出を最短時間でもたらす理想的な温度範囲が存在すると思われる。
ｂ．被覆される表面積の大きさは析出速度に影響する。所与の体積の浴中における表面積が大きいほど、全体としての析出速度は低下する。
ｃ．続けて行われる被覆で使用可能な溶液中の銅残留量。銅濃度は、溶液を通して部材表面を被覆する銅の量の分減少し、また、溶液の経時変化によっても減少していく。すなわち、様々な要因から銅は自然に溶液から沈殿し、溶液中の銅含有量は時間とともに減少する。
【００４７】
５．所望の時間めっき浴に浸漬した後、めっきされた基材を浴から取り出す。取り出した銅被覆マグネシウム合金部材を水又は水酸化ナトリウム溶液ですすぐ。一般に、水ですすぐと光沢銅仕上げとなる。銅めっき物を暗めの外観に仕上げたいときは、水酸化物系洗浄液を用いてもよい。
【００４８】
実施例２  −前処理−（ＡＭ５０及びＡＺ９１Ｄ）Ｍｇ合金上の酸化皮膜の、酸による除去
【００４９】
金属めっきにおいては、前処理として基材に酸エッチングを施すことがより好ましい。これにより、無電解銅析出とその付着性が向上する。酸エッチングにより、アルミニウム［Ａｌ］及びマグネシウム［Ｍｇ］を含む種々の金属表面から絶縁酸化物を除去できることはすでに確認されている。また、酸の中には、基材の腐食を招くため、二次析出に際しての酸化物除去には適さないものも存在することも確認されている。
【００５０】
Ｍｇ合金の場合、塩素［Ｃｌ−］アニオン及び硫酸［ＳＯ４２−］アニオンの存在下で腐食が起こることが知られており、これによって選択腐食領域が形成されることもある。無電解銅［Ｃｕ］析出においては、非晶質Ｃｕ析出層が準結晶構造を有するため、アニオン成分によって腐食が開始してしまった領域のめっきは困難になる。
【００５１】
めっき特性を向上させるため、Ｍｇ合金表面からの酸化物除去について酒石酸［Ｃ４Ｈ６Ｏ６］表５及び硫酸［Ｈ２ＳＯ４］（表６）の検証を行った。試験片をグリット２４０のＳｉＣエメリー布で乾式研磨し、４８時間以上外気に曝して酸化させた後、脱酸化処理をした。いずれの酸も酸化物を除去し、析出を改善できることがわかった。検証例においては、数秒間のみ酸に曝し、酸化物除去工程と析出工程の間にすすぎ浴による処理を行わなかった。これは、蒸留水浴は表面の再酸化を招く可能性があるためである。
【００５２】
更に、上記Ｃ４Ｈ６Ｏ６浴に、表７に従って硫酸銅五水和物［ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ］を添加することを試みた。この場合、単純な置換反応が起こるとともに黒色の不連続な銅皮膜がＭｇ系基材上に形成されるようであった。この処理による黒色の析出層はさほど強く付着しなかったが、続いて行った銅析出は非常に良好に付着するようであった。ただし、浴の可使時間は減少した。
【００５３】
酸化皮膜の酸による除去を含む前処理、及び続く無電解銅めっきに用いた浴は、表４に従って下記のように調製した。
【００５４】
【表４】
0005937086.tif 000006
注：酒石酸は濃度５３ｇ／Ｌにおける溶解性に難点があり、３０ｇ／ＬのＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏと組み合わせて用いた場合容器の底に白色の沈殿物が生じる。
【００５５】
【表５】
0005937086.tif 000007
【００５６】
【表６】
0005937086.tif 000008
【００５７】
【表７】
0005937086.tif 000009
【００５８】
結果は、ほとんどの酸は酸化シリコン表面を活性化させるには十分でないことを強く示しており、濃度２０ｍＬ／Ｌの硝酸［ＨＮＯ３］及び硫酸［Ｈ２ＳＯ４］は、５分経過後も該表面にいかなる変化も生じさせることができなかった。
【００５９】
マグネシウム基材が一度金属合金皮膜で被包されると、その金属皮膜自体が、その後形成される皮膜の塗付及び析出の土台となる。そのため、最初の皮膜は続いて形成される所望の皮膜に応じて選択される。さらに、金属で被包されたマグネシウムは導電性を維持し、接合部にガルバニック効果や腐食を生じさせることなく異種金属に機械的に接合されうる。
【００６０】
実施例３  −マグネシウム／酸化マグネシウムのニッケル−ホウ素（Ｎｉ−Ｂ）クラッディング
【００６１】
マグネシウム基材上へのニッケル−ホウ素金属被覆用の、無電解析出被覆溶液は、表８に示す二液溶液（成分溶液Ａ及びＢ）から調製した。該二液溶液は、基材の被覆直前に混合した。ニッケル自体は高ｐＨにおいて溶解しないため、最終浴よりもかなり低いｐＨに保たれた別個の浴溶液Ａとして、ニッケル−ホウ素塩溶液を調製した。同浴溶液Ａは下記の表に示す成分Ａを構成する。
【００６２】
ニッケル−ホウ素析出溶液は脱イオン水と混合された二液系として調製した。
【００６３】
【表８】
0005937086.tif 000010
【００６４】
溶媒成分溶液Ｂは、中性又は酸性のｐＨを持つ溶液内で極めて酸化しやすい水素化ホウ素化合物を含んでいた。そのため、溶液Ａ及びＢを最終使用のために混合する際、溶液Ａを溶液Ｂに添加することにより、該水素化ホウ素化合物の酸化を有利に防止できる。さらに、化合物溶液Ｂに含まれるエチレンジアミンによって、高ｐＨ溶液中におけるニッケルの溶解性が促進され、マグネシウム表面にニッケルが析出しやすくなる。一方、ホウ素は同表面にアノード反応により析出する。
【００６５】
また、エチレンジアミンは極めて銅との反応性に富むという点にも留意すべきである。このことからニッケル−ホウ素被覆中は銅を避けることが好ましい。しかし、本明細書に記載の無電解被覆法を用いて、ニッケル−ホウ素皮膜を銅で被覆することが可能である。
【００６６】
マグネシウム基材上めっきとしてのニッケル−ホウ素無電解析出は次のように行われる。
１．成分溶液Ａ及びＢをそれぞれ物理的に分離された溶液として調製する。
２．続いて、溶液Ａ及びＢを室温で混合する。この際、溶液Ａを溶液Ｂに注ぐ。その後、単一のめっき浴として、８０〜９５℃まで加熱する。
３．被覆対象のマグネシウム基材を機械的、化学的、あるいはプラズマにより洗浄し、マグネシウムから酸化物表面を除去する。
４．酸化物を除去した後、マグネシウム基材の無酸化物表面部を脱イオン水で洗うことにより二次洗浄する。
５．洗浄後のマグネシウム基材を、調製しためっき浴に沈め、目的の皮膜の厚みに応じて、溶液を部材の表面積すべてに最大３０分間（この時間に限定されない）接触させる。
６．所望の厚さの皮膜がマグネシウム部材上に析出した後、部材を水または水酸化ナトリウム溶液ですすぐ。
７．コバルトイオン及び／又は亜鉛イオンを浴に添加すると、さらに追加的な好ましい効果が得られる可能性がある。
【００６７】
マグネシウムのニッケル−ホウ素被覆においては、析出速度は下記の要因及び変動要素の累積的効果に依存する。
ａ．溶液Ｂに対する成分溶液Ａの比。なお、溶液Ａにより、存在する金属塩の体積を調節する。
ｂ．浴の温度（すなわち、８０〜９５℃）
【００６８】
試験片の作製
【００６９】
８５〜９０℃のＮｉ−Ｂ析出浴を５分間用いて行った試験においても、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金上に析出層を得ることができた。Ｎｉ−Ｂの場合、温度は皮膜形成における一つの重要な要素であり、低温であると析出速度が著しく低下してしまう。肉眼で見ると連続な被覆範囲が、微視的には不連続であることが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びエネルギー分散Ｘ線（ＥＤＳ）によって観察されたが、ＥＤＳで観察された不連続は、部分的には、膜厚の不足によると考えられる。ただ、析出層がこの程度の連続性を有していれば、この後高ｐＨで形成される二次析出層の最低限の土台とするには十分である。なお、高ｐＨは、マグネシウムが露出していた場合に、酸電解中での激しい反応を緩和するために必要である。
【００７０】
Ｎｉ−Ｂ上に二次無電解Ｃｕ薄膜を析出させて、肉眼でもＳＥＭにおいてもほぼ連続である皮膜であること観察した。最初のＮｉ−Ｂ析出層は、ＡＺ９１ＤＭｇ合金上に５分間以上約８７℃で形成され、ある程度不連続な析出層であることが予想された。試験片を蒸留水ですすぎ、１５分間空気に曝して吊るし乾燥させた後、室温の無電解銅浴に５分間入れた。その後試験片を蒸留水ですすいで再び外気に曝して吊るし乾燥させた。二次析出工程後の試験片を観察すると、試験片上に限定的な腐食が起こっていたことから、Ｎｉ−Ｂ皮膜は実際にやや不連続であったものと示唆される。これは、Ｎｉ−Ｂ「核形成」部位の上に形成し始めたばかりの、初期不連続膜を示すＳＥＭによって確認される。
【００７１】
更なる同様の試験において、１５分間約８０℃でＮｉ−Ｂ析出層を得て、蒸留水ですすぎ７分間乾燥させた後、室温の無電解銅浴に２２分間入れた。これにより、ＳＥＭ及びＥＤＳでほとんど欠点が観察されないより良好な皮膜を得た。二次析出中の試験片を観察したところ、Ｃｕ析出層に光沢が見られず、無電解銅浴内で７分間の析出時間を経ても比較的薄い析出層となったことから、Ｎｉ−Ｂ皮膜は不連続であったことが示唆される。この第二の試験片では連続性が明らかに増しており、表面のＳＥＭ画像には研磨処理による摩耗痕跡が被覆されている様子がはっきりと示されている。
【００７２】
最初の層と第二の層の形態を比較するため、下半分のみを二次Ｃｕ析出浴に曝した試験片を用意した。最初の無電解Ｎｉ−Ｂ析出層は、研磨したＡＺ９１Ｄ合金試験片上に８９℃、５分間以上かけて形成した。ＥＤＳはＭｇによる小さなピークをなお示していたものの、ＳＥＭで見ると、析出層はわずかに不良があるのみで連続であった。試験片を蒸留水ですすぎ、吊るして外気に曝し、２５分間乾燥させた。乾燥後、試験片の下部を室温の無電解Ｃｕ浴にさらに５分間曝し、すすいで乾燥させた。二次析出工程中、析出浴に曝されて、皮膜は下から３分の１より上まで水和された。最初の試験片に要した時間の約４分の１の時間でこの析出が達成できたことから、一次皮膜の連続性は二次析出層の質に関する重要な要素ではあるものの、最初の皮膜が完全に連続でなくとも良好な二次析出層が得られることが明らかとなった。加えて、二次ＣｕクラッディングのＳＥＭ分析により、マグネシウムの金属イオン封鎖が向上していたことがわかった。肉眼でＮｉ−Ｂ／Ｃｕ界面付近に腐食が観察されるかもしれないが、これは試験片を不完全に浸漬したことによるガルバニック腐食と見るのが適当である。
【００７３】
高アルカリ性環境における無電解析出方法を用いれば、特に二次層を析出させる場合に、優れた密着性を有する析出層を良好に形成することができる。ここでは二次析出浴もまた高アルカリ性である。これは、連続であることが期待される皮膜に、ピンホール、隙間、又は不良があっても、容易にガルバック電池が形成されたり腐食が開始したりしないようにするためである。マグネシウムの最初のクラッディングに生じる隙間は、特に銅を用いる場合には、下記の起こりうる作用のいずれか又は両方による絶縁表面酸化物の形成が原因であることがある。
【００７４】
１）これまで試験してきた合金はＡＺ９１Ｄ及びＡ５０マグネシウム合金であり、これらはそれぞれ名目約９％及び約５％のアルミニウムを含んでいる。アルミニウムは高アルカリ性環境で酸化しやすいため、析出浴内でＡｌ−Ｍｇ金属間化合物の酸化が起こり、絶縁酸化物の形成につながると考えられる。この場合は、非アルミニウム合金化マグネシウム合金であれば高アルカリ性析出浴中でより良い性質を示すと考えられる。このことは、現在のところ多種多様なマグネシウム合金を被覆するために十分なクラッディング工程がひとつもないので、マグネシウム合金のクラッディングの著しい発展につながるものでもある。
【００７５】
２）外気に曝してマグネシウム合金を研磨すると、表面、特に凹凸が加熱される可能性があり、この熱が酸化に寄与する。酸化物の絶縁能力についての検証によって、こうした無電解析出技術は、酸化したマグネシウム上に無電解クラッディングを施す上では役に立たないことが確認されている。この課題は、試験片を冷却するか、あるいは酸化を防ぐために不活性ガス雰囲気下で研磨することで容易に解決できるものであるが、本願方法は、適切な処置を行えば絶縁酸化物の形成は管理できることを示している。
【００７６】
標準電極電位において銅（＋０．３４０  ｖｓ．ＳＨＥ）とマグネシウム（−２．３７２  ｖｓ．ＳＨＥ）には明確な差があるにも関わらず銅を析出させることが可能なのは、高アルカリ性析出浴であるためである。高アルカリ性析出浴は基材の腐食防止と活動的なガルバニ電池の形成防止に役立つ。これは、わずかに酸性寄りのｐＨ値（ｐＨ≒１２）で形成された析出層は基材の腐食を生じさせることから観察されている。こうした理由から、クラッディング用金属としての銅を選択する際、高ｐＨ環境における銅の溶解度は重要な要素であった。
【００７７】
さらに重要なことに、研磨されたＭｇ合金試験片を銅析出浴の浴Ａに曝すと、還元剤非存在下でも密着性が良好な銅が試験片表面に形成されることが観察されている。
【００７８】
実施例４  −アルミニウム合金基材上の無電解銅析出
【００７９】
別の態様において、本発明の方法はアルミニウム又はアルミニウム合金基材上に銅のような金属の皮膜層を無電解析出させる際に用いられうる。
【００８０】
銅析出浴は二液浴として成分溶液Ａ及びＢから下記のように調製した。
【００８１】
銅析出浴
【００８２】
【表９】
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【００８３】
アルミニウム合金基材上における銅被覆においては、下記の方法が用いられる。
１）従来の手段を用いてＡｌ合金から酸化皮膜を除去する。密着性を向上させるため、乾式研磨のような、表面粗さも増加する方法で酸化物を除去することが最も好ましい。
２）Ａｌ合金を室温の無電解銅析出浴に約５〜１０分間投入する。析出速度及び／又は膜厚を増加させるために、析出時間を長くし温度を高くしてもよい。
３）銅層が形成された後、めっきされた試験片を析出浴から取り出して蒸留水ですすぎ、余分な電解液を除去する。
４）これらにより、光沢があり、平坦／均一で、連続で、密着性の良好な無電解銅クラッディングがＡｌ合金に施される。
【００８４】
最も好ましい方法に従って無電解Ｃｕ析出が行われた試験片においては、研磨が必要であった。研磨していない表面ではほとんど析出は起こらなかった。
【００８５】
その他のＡｌ合金試験片においては、酸化表面と研磨表面の両方で析出が行われたが、低密着性及び／又は粉体状の析出層となった。研磨により密着性が良好な析出層が得られるかどうかを調べる試験として、析出層の特性を用いることが考えられている。
【００８６】
アルミニウムは一般に、正の標準電極電位Ｅ０が示すように、水酸化環境下で急速に（自発的に）酸化するものとして理解されている。そのため、Ａｌ合金上に高ｐＨ析出浴から無電解析出を行うということは直観に反すると考えられている。
【００８７】
［数１］
Ａｌ（ｓ）＋３ＯＨ−（ａｑ）→Ａｌ（ＯＨ）３（ｓ）＋３ｅ−Ｅ０＝＋２．３１Ｖ
【００８８】
本発明によれば、銅の無電解析出は、高濃度のホルムアルデヒド還元剤をＡｌＮ基材に用いて、最大ｐＨ１３．５の無電解銅浴で行われる。
【００８９】
その他のＡｌめっきに好適な無電解銅析出方法としては、３００３−Ａｌ合金上に銅浸漬被覆を施し、その後無電解Ｎｉ−Ｐ析出を行う方法が挙げられる。銅浸漬皮膜は、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ（３０ｇ／ｌ）及びＣ４Ｈ６Ｏ６（酒石酸）（５３ｇ／ｌ）を含む２５℃の浴に３分間入れて形成する。この被覆は、Ａｌと無電解ニッケル析出溶液が直接接触するのを防ぎ、無電解析出浴の安定性を増加させるために行われる。
【００９０】
本出願人は、本発明を用いれば、浸漬被覆は無電解銅析出をより広範なアルミニウム合金に拡大する手段となりうることを見出した。これに関連して、続いて形成される無電解Ｎｉ−Ｐ皮膜は従来のｐＨレベルである約４．５で形成されるので、続いて行われる無電解銅層は酸性であってもよく、アルカリ性であってもよい。
【００９１】
実験例では、Ａｌ合金試験片に無電解銅クラッディングを実現し、付着させることができている。試験片中のＡｌはかなりリサイクルされた金属であり、多量の不純物が混入していた。１２％Ｓｉ及び６０６１Ａｌ合金で行った試験では、試験片表面に粉体状で密着性に乏しい析出層を得た。従って、合金そのものの性質も、高度な析出を実施するための寄与因子となりうる。
【００９２】
その他の試験片では、析出は研磨された領域と同様に酸化表面でも起こり、析出は研磨から独立したものではなかった。
【００９３】
好ましい方法としては、１３．５を超えるｐＨ、好ましくはｐＨ１３．５〜１４の無電解銅析出浴に浸漬するとしているが、アルミニウム合金の特定の組成及び接着力の有無によっては、それより低いｐＨで銅の無電解析出を実現することも可能であると思われる。より低いｐＨでの無電解Ｃｕはまた、接着力を有さない合金にもおそらく実施可能である。
【００９４】
１つの商業利用例として、太陽電池内部において、無電解銅方法を「電子」と「正孔」の再結合に用いられる導電性裏材の形成に適用してもよい。従来、導電性裏材は一般にアルミニウムペーストからなっている。また、本発明の無電解析出方法を、電池前面に接触するグリッド電極を形成する銅層に適用してもよいということはより重要である。一般に電極は、銀ペーストを太陽電池前面及び背面の両方にスクリーン印刷することで形成する。無電解銅めっき方法を用いれば銀ペーストを用いるよりも安価であると同時に、通常グリッドに覆われている表面積が減少するため、従来の印刷方法に代わってさらに太陽電池効率を高めることがきる。
【００９５】
実施例５  −シリコン基材上の無電解銅析出−
【００９６】
本無電解技術はまた、集積回路製造、特にプロセッサ集合体においても効果を発揮するものと見込まれている。
【００９７】
実験結果において、実質的に純シリコンと見られるシリコン試験片に加え、ｎ型シリコン基材上においても、本発明の方法を用いた銅析出の検証が行われている。ｎ型及びｐ型シリコン作製のためにシリコンをドープするものとすると、析出技術は電子デバイスの組立において用いられる全てのシリコン基材において効果を発揮するものと期待される。加えて、基材の縁、つまり試験片が大型板から切り取られた部分に銅析出層が観察されている点にも留意すべきであり、これは、析出層形成は酸化物不足の結果であって、研磨方法による異常によるものではないことを示している。
【００９８】
析出浴が酸化物成長を促進しシリコン基材と銅クラッディングの間に酸化中間膜が形成されるかどうか、及び析出皮膜の厚みを測定すれば、最適な浴条件を調整することも可能になる。予備測定によればクラッディングと基材の間にはある程度の抵抗接点が存在するようであるが、薄膜の四端子法測定によりその正確性を検証する必要がある。
【００９９】
皮膜層の無電解析出により、今日まで実現不能とされてきた極めて多くの分野及び用途で多様なシリコン基材や金属基材の使用が可能になると思われる。非限定的な例としては、被覆マグネシウム／マグネシウム合金基材の使用、コンピュータのハードドライブ、海軍軍艦、航空機及び航空宇宙における応用分野、内燃エンジン頭部及びブロック、トランスミッション及びギア筐体、自動車フレーム集合体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１００】
また、所与の基材表面に析出する金属の量が、その再利用に影響を与えるということは無い。詳細には、表面皮膜は「不純物」を許容可能範囲内に収められるよう量を調節して形成できる。更に、耐摩耗性が高い被膜又は硬化した皮膜は、マグネシウムのようなより柔軟な金属基材に対して用いてもよい。これにより、良好な表面摩耗特性が求められる分野でそのような金属を使用することが可能になると思われる。
【０１０１】
本明細書は、マグネシウム、アルミニウム、及びシリコン基材を銅及びニッケル−ホウ素で被覆する際の本発明の方法の使用について記載しているが、これらに限定されない。本発明の二液被覆方法は、高アルカリ性めっき浴において可溶である多様な皮膜層を形成するため用いてもよいことがわかっている。
【０１０２】
本明細書にはめっき方法における種々の好ましい数値が記載されているが、本発明はそれらに限定されない。多くの変形例が近く明らかにされると思われる。本発明の範囲に関しては、添付の請求項を参照されたい。