樹脂上への金属３Ｄプリンティングを目指した
レーザプリンティングに関する研究
秋田県立大学 システム科学技術学部 機械工学科教授

鈴木 庸久（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017222）

キーワード：レーザプレーティング，樹脂めっき，３Ｄプリンティング

１．研究の目的と背景
小型化，高機能化を目指す 3D-MID デバイスの製造では，LDS 法による樹脂自由曲面への金属パターニング技術が用いられている．LDS 法の課題は，特殊な樹脂を用いなければならないこと，レーザでの活性化後にめっき処理を行う多段階プロセスであること，設備が高額であることである．そこで，我々は，Fig. 1 に概念図を示す，直接樹脂にめっき被膜を形成できるレーザプレーティング 1),2)に着目し，金属 3D パターニングの研究を進めている．レーザプレーティングのプロセスは，はじめにレーザによる急速加熱による核生成が起こり，その後，レーザの定常加熱によるめっき反応が促進されると考えられている 1)．
先行研究では，レーザプレーティングによるポリ塩化ビニル（PVC）へのニッケル（Ni）析出が可能であることを示した 3)．しかし，レーザ照射による基板温度の変化と Ni

Fig. 1 レーザプリンティングの概念図

析出の関係が明らかになっていない．また，液面のゆらぎにより，Ni 析出形態が変化するという課題があった．
本研究では，無電解ニッケルリン合金（Ni-P）めっき浴中に設置した基板へレーザ照射したときの基板表面の温度変化，温度分布などを測定し，Ni 析出の条件を考察した．さらに，液面のゆらぎによるレーザ伝搬長の変化を防ぐために，石英ロッドの端部をめっき液に浸漬させ，めっき液中のレーザ伝搬長を制御したときの焦点距離，基板温度の変化を調べた．
Fig. 2

レーザプレーティング構成

２．実験方法
Fig. 2 に，石英ロッドを用いてめっき液中のレーザ伝搬ーザ（Civil Laser 製 LSR980H-FC-6W）を用いた．レー

長を制御したときのレーザプレーティングの構成を示す．

ザ光は，コリメートレンズで並行光にした後，集光レンズレーザ光源には，波長 980 nm の連続発振ファイバ結合レで基板表面（PVC あるいはシート熱電対）に集光させた．

の中心部を XY 軸の原点となるように，ガラス基板上に設置した．自動ステージを用いて，X 軸，Y 軸方向は 0.1 mm間隔，Z 軸方向は 1 mm 間隔で移動させ，10 秒以上照射させた後，基板温度を測定した．

３．実験結果3-1 温度分布と Ni 析出物の関係
Fig. 4(a), (b), (c)に，それぞれレーザ出力 2.2W, 3.0W,(a) シート熱電対の配置
Fig. 3(b) 測定部の拡大図

シート熱電対の温度測定方法

3.7W で，照射時間 300 秒，伝搬長 3～5 mm のレーザプ
レーティングによる Ni 析出物の SEM 像 3)を示す．レー
ザ出力 2.2W では Ni の析出はほぼ見られない．一方，レーザ出力 3.0W, 3.7W では Ni の析出が見られ，レーザ出集光レンズから基板までの距離を照射距離とし，照射方向力の大きさに比例して，Ni 析出物が大きくなっているこを Z 軸方向とする．石英ロッドの端部をめっき液に浸漬とが分かる．レーザ出力 3.0W, 3.7W で，Ni 析出物の半径させ，レーザ光は石英ロッドを介してめっき液に照射するはそれぞれ約 200 μm，250 μm であり，レーザの影響ようにし，ロッド端面を Z 方向に位置を動かすことで，レ範囲の半径はそれぞれ約 300，400 μm であった．

ーザ伝搬長を 1 mm～5 mm の範囲で制御した．石英ロッFig. 5 に，レーザ出力 3.7 W のときの Ni 析出物の断面ドを用いない場合は，めっき液の循環量でめっき液面を制プロファイルを示す．Ni 析出物の中心部が最も高く，半御することで，レーザ伝搬長を 3～5 mm とした．無電解めっき浴は，低リンタイプの無電解 Ni-P 浴（メルテック
ス製エンプレート NI-426）を用いた．レーザ出力は， 0.5

Fig. 3(a), (b)に，シート熱電対(八光電機製 HTK3501)による温度測定方法を示す．シート熱電対は，クロメル／アルメルの積層板をスポット溶接したシート状の K 熱電対を厚さ 0.3 mm 程度のポリイミドフィルムで被覆したものである．このシート熱電対の電極部（幅：約 2 mm）

Fig. 4り，半径 400 μm の位置で基板の高さになる．
Fig. 6 に，ロッドなし（伝搬長 3～5 mm）で，レーザ出力 0.5～3.7 W のときの X 軸方向の温度分布を示す．レ～3.7 W の範囲で変化させた．

(a) 300 秒, 2.2 W

径 250 μm の位置から Ni 析出物の厚みが急激に薄くなーザ出力の大きさに比例して，中心部の最高温度および半値幅が大きくなる．この温度分布から，レーザ出力 3.7W
における Ni 析出物の半径 250 μm～ レーザ影響範囲の半径 400μm における温度は，約 200～160℃である．つまり，この温度範囲において，Ni 析出温度のしきい値があると考えられる．

(b) 300 秒, 3.0 W(c) 300 秒, 3.7 W

レーザ出力 2.2～3.7 W，照射時間 300 秒で PVC 基板に形成された Ni-P 析出物の SEM 像 3)

Fig. 5レーザ出力 3.7 W の Ni 析出物の断面曲線 3)
Fig. 7 レーザ出力ごとの照射時間 300 秒の Ni 含有量(ロッドなし)3)Fig. 6

レーザ照射部付近の温度分布(ロッドなし)

Fig. 8 レーザ出力 3.7W におけるデフォーカス量に対する温度変化

Fig. 7 に，レーザプレーティング（ロッドなし）を行っ

3-2 めっき液中のレーザ伝搬長の影響たときの Ni 析出量とレーザ出力および基板の最高温度のFig. 8 に，各伝搬長におけるデフォーカス量に対する温関係を示す．Ni 析出量は，レーザ出力および基板温度の度変化を示す．焦点における最高温度は，伝搬長が短くな上昇とともに増加する．中心部の最高温度は，レーザ出力るほど上昇し，レーザ出力 3.7W，伝搬長 1 mm で 218℃

2.2W, 3.0W, 3.7W でそれぞれ約 120, 170, 210℃である．に達した．波長 980nm のレーザ光が無電解ニッケルめっ

2.2W では，Ni 析出がごくわずかであることから，Ni 析き液を 10mm 伝搬するときに，約 50%程度減衰すること

出温度のしきい値は，おおよそ 170℃以上（レーザ出力から，伝搬長が短いほど温度が上昇することになる．

3.0W）であると考えられる．これは，温度分布と析出物分布から考察した温度域とほぼ一致する．
Ni 析出時の基板温度が約 160～200℃であるとすると，PVC の融点に近い温度まで基板温度が上昇していること

各伝搬長において，5mm ほどデフォーカスすると，10%ほど最高温度が低下する．伝搬長 2 mm 以下であれば，5mm ほどデフォーカスしても，基板温度は約 190℃であり，Ni 析出が可能だといえる．になる．Fig. 4 のレーザ照射部の SEM 像より，PVC の一伝搬長がほぼ同じ条件において，ロッドなしに比べて，部は変形しているものの，変形した PVC 基板上に Ni がロッドありで基板温度の低下が見られた．ロッドなし伝搬析出している．このように Ni 析出が可能な理由としては，

長 3～5mm の条件とロッドあり伝搬長１mm の条件で，PVC が溶けきる前に Ni が析出し， PVC を保護してい基板温度はほぼ同等であった．20mm の石英ロッドでのることが考えられる．

減衰は 4%と見積もられ，それほど大きな減衰ではないことから，界面での反射等の影響のためであると考えられる．

(3) めっき液中のレーザ伝搬長を短くすることで，レーザの減衰が減り，基板温度が上昇する．

４．結論(4) デフォーカス量 5mm で約 10%最高温度が低下する．

レーザプレーティング中の基板表面の温度を測定し，基謝

板温度の変化，温度分布，レーザ伝搬長の影響を調べたところ，以下のことがわかった．
(1) 温度分布と Ni 析出物の半径の関係から，基板温度160～200℃の温度範囲において，Ni 析出温度のしきい値がある．
(2) レーザ出力と最高温度および Ni 析出量の関係から，基板温度 170℃以上で Ni 析出が起こる．

辞本研究の一部は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成（AF-2017222）により行われたものである．記して感謝する．

参考文献
1) Noboru Morita et al., Journal of the Japan Society forPrecision Engineering, Vol. 57 (1991) 2199-2205
2) Eiji Makino et al., Journal of The Surface Finishing
Society of Japan, Vol. 51 (2000) 199-205
3) Kohei OIDE et al., Japan Society for Precision
Engineering Tohoku Branch Academic Lecture (2018)