ＹＡＧレーザを用いた表面加工装置の試作（Ⅲ）
レーザのパルス化が無電解ニッケルめっき皮膜の析出に与える影響について

［要北垣

中

村松

田松

本

寛＊１
知彦＊２
実＊３

賢

治＊４

旨］

ＹＡＧレーザによりマスクレスで微小範囲に無電解ニッケルめっき皮膜を析出させる場合、レーザ発振器の試作改造により、レーザ照射条件を連続照射からパルス照射にすることで、析出皮膜の形状は平滑で凹凸の少ないものが得られた。また、析出物中のリン含有率は２％と連続照射の場合の約半分で、ビッカース硬度については、リン含有率が少ないにも関わらず通常の無電解ニッケルめっきとほぼ同等の硬さが得られた。

１緒

言

クレスで無電解ニッケルめっき皮膜を形成する研

レーザビームは高いエネルギー密度を利用して金属やセラミックスの切断や切削などの加工に利究に取り組み、レーザ照射出力が析出速度に与える影響などについて報告した６）〜８）。

用されている。一方、めっき技術は代表的な表面

本報では、レーザの照射条件を連続照射及びパ処理技術として装飾や防食、さらには電子材料へルス照射とした場合、これら条件が析出物の形態の機能めっきなど工業的に広く用いられている。

及び物性に与える影響について検討を行ったのでめっき時にレーザを併用して照射し、必要な部分報告する。にのみ皮膜を析出させる加工技術や加速化などの研究１）〜５）が進展しており、めっき加工への高付

２

実験方法

YAGレーザ発振器及び反応槽は前報 １）と同じ加価値化技術として注目されている。
我々はこれまでに電子材料へのテープ等によるものを用いた。レーザ照射条件は、常に一定のレマスキング方法では困難な微細なスポットめっきーザ出力を維持する連続照射に加え、レーザ共振への応用を目的に、スチール、黄銅及びポリイミ器内に超音波変調器を組み込む改造によりレーザド基板上に、ＹＡＧレーザにより微小範囲にマス光を断続的・極短時間に高出力のレーザ光を繰り返し発振するパルス照射での実験を行った。パル

＊1

研究開発課

技師

ス条件は１秒間当たりのパルス繰り返し数（以下、

＊2

研究開発課

主査周波数という）を５ｋHz、15ｋHz、25ｋHz、50ｋHz＊3

研究開発課主任研究員として実験を行った。なお、各周波数条件での１＊4（現在 企画総務課 企画調査係長）

パルスの照射時間及び1秒間当たりのエネルギー

研究開発課（J／秒）、即ち平均出力（W）の測定結果から算主任研究員― 57 ―

表１

実験条件

照射条件
出ＹＡＧレーザ

19W

180〜1000W(ピーク)力―

5 〜 25 ｋHz
5 〜 15 分

長1.06μｍ
・光ファイバーコア径：300μｍ・基板上でのレーザ照射径：約 300μｍ

その他

6ｇ/L

ニッケル濃度
還元剤

次亜リン酸ナトリウム（リン 8〜10 ％共析タイプ）

その他

・液量：3Ｌ（ポンプにより循環 毎分 3Ｌ）
・液温：20〜30℃
・ｐＨ：4.6（市販液）

基

パルス発振

繰り返し周波数
照射時間波

無電解ニッケルめっき液

連続発振・スチール板（20ｍｍ×60ｍｍ、厚さ 0.3 ｍｍ）
・前処理：研磨仕上げ、アルカリ脱脂、酸洗、水洗板

分間、15分間の各照射時間での析出物の表面形態を図２に、一方、同様の照射時間でレーザ照射条
件をパルス照射（周波数25 k Hz）とした時の析出物の表面形態を図３に示す。
連続照射条件の場合、析出物にできた表面の凹凸は20〜50μm程度であるのに対し、パルス照射では、5μm以下になり平滑になった。
通常の電気めっきにおいて、間欠的に高電流を図１

流すパルスめっき法の場合、定電流の場合と比較

周波数とピーク出力の関係

すると、微細結晶がランダムに析出成長すること出した各周波数とピーク出力との関係を図１に示が知られている９）。今回のレーザのパルス照射条す。連続照射の場合の出力は20Ｗ程度であること

件による析出においても、レーザの非照射時間にから、パルス化することで、平均出力は25〜45％基板照射部界面のイオン濃度が回復し拡散層の厚程度に低下するが、ピーク出力は10〜50倍程度にさが薄くなり、間欠的な新規核形成が促進されるなることがわかる。実験条件は表１のとおりであため結晶粒が微細化したと予想される。

る。各種レーザの照射条件により基板上にニッケ次に、連続及びパルスで５分間照射したときのル析出物を形成し、その形状を走査型電子顕微鏡、析出物全体の断面形態を図４に示す。連続照射の組成を電子線マイクロアナライザ、硬度をマイク場合、析出物の中央部が凹状になった。これはレロビッカース硬度計、構造をX線回折により評価

ーザの強度分布が中央部をピークとして分布してした。

おり、照射中央部のめっき液が沸騰して気泡が発生し、液中の金属イオン供給効率が低下したため

３と考えられる３）。

結果及び考察

３．１ レーザ照射条件が析出物の結晶粒径及び平滑性に与える影響

一方、パルス照射では、析出物中央部の凹形状が解消されていた。パルス照射の場合、レーザにレーザ照射条件を連続照射として、５分間、10よる基板の加熱時間は極短時間であり、過度の沸― 58 ―

100μm

100μm100μm

レーザ照射時間 5 分

レーザ照射時間 10 分

レーザ照射時間 15 分

図２レーザによる析出物のＳＥＭ像（45度傾斜）レーザ照射条件：連続照射（照射出力19W）

100μm

100μm

100μm

レーザ照射時間 5 分

レーザ照射時間 10 分

レーザ照射時間 15 分

図３

レーザによる析出物のＳＥＭ像（45度傾斜）レーザ照射条件：パルス照射（ピーク出力264W：周波数25kHz）

100μm

界面

界面

連続照射
図４100μm

パルス照射

レーザによる析出物の断面ＳＥＭ像
レーザ照射時間５分― 59 ―

100μm100μm

180Ｗ（ピーク）（周波数 50ｋHz）

264Ｗ（ピーク）（周波数 25ｋHz）

図５100μm
413Ｗ（ピーク）（周波数 15ｋHz）

100μm
1000Ｗ（ピーク）（周波数 5ｋHz）

レーザによる析出物のＳＥＭ像（45度傾斜）レーザ照射条件：パルス照射（照射時間5分）
騰はなく、皮膜の析出反応は、基板にレーザが照射されていないオフタイムにも基板の余熱により進行していると思われる。そのために気泡の影響を受けずに中央部も比較的平坦に皮膜が成長したものと思われる。

３．２

パルス周波数の析出物に与える影響

レーザ照射条件をパルス照射として、そのパルス周波数を変化させてめっきを行った時の表面形
図６

態を図５に示す。

レーザによる析出中のリン含有率
及びマイクロビッカース硬度

パルスレーザ無電解めっきは、通常のパルス電気めっきと異なり、レーザを一定の出力とするこーク出力に強く依存することがわかった。とが難しい。これはレーザの特性で、パルス間隔を長くするとその間にエネルギーが蓄積されるた３．３

めピーク出力が大きくなる。

析出物の物性

レーザ条件がニッケル析出物のリン含有率及びパルス周波数が50kHz（平均出力約９W,ピー

ビッカース硬度に及ぼす影響について調べた結果

ク出力180W）から25（同約6.5W, 264W）では良好を図６に示す。リン含有率は、通常の無電解めっな皮膜が析出できたが、パルス周波数が15ｋHzきでは約11％であったが、連続レーザめっきの場（同約6.1W, 413W）、5ｋHz（同約10W, 1000W）合４％程度であり、リン含有率は半分以下であっでは析出物は海綿状となり良好な皮膜が形成された。めっきの析出速度は、レーザめっきでは平均なかった。パルスレーザ無電解めっきでは、連続13μｍ／minで、通常の無電解めっきの36倍であ照射レーザより凹凸の少ない表面が得られるが、り６）、レーザめっきでは金属の析出が加速される

その形態はパルス周波数の条件、特にレーザのピため相対的にリンの含有量が低下したと考えられ― 60 ―

析出硬化と考えられたが、連続照射ではNi ３Pをる。
また、レーザ照射条件をパルスにした場合は示すピークはなく、ブロードなピークであった。

２％程度であった。パルス照射によるリン含有率

その機構解明は評価方法も含めて今後検討したが連続照射と比較してさらに約２分の１になった

い。のは、パルス化による非連続的な反応のため、皮膜近傍のめっき液濃度が回復し、金属の析出速度３．４が相対的に上昇したためと思われる。

熱伝導率の良い材料への析出

一方、ビッカース硬度については、通常の無電レーザ光による無電解ニッケルめっきは、照射解ニッケルめっきの場合、520Hv程度であったのされたレーザ光のエネルギーが基板に吸収されてに対し、連続レーザめっき皮膜ではリン含有率が熱エネルギーに変換され、無電解ニッケルめっきそれの半分以下であるにもかかわらず570Hv程度液との界面において部分的に酸化・還元反応が促と約50Hv高くなった。

進されて皮膜が析出するが、基板材料が黄銅のよ

また、パルスレーザめっきではリン含有率が約

うに熱伝導率が良い場合には、吸収された熱は直２％と通常の無電解めっきの4分の１以下しかな

ちに周辺部に拡散してしまい、部分的な皮膜析出

いが、硬度は520Hv程度で通常の無電解めっきは困難であることがわかっている２）。

（リン含有率11％）と同等であった。

今回、レーザ照射条件をパルス化し、短時間にレーザめっきが通常の無電解ニッケルめっきよ

非常に強い光を照射することで、オフタイムに周りリン含有率が低いにもかかわらず同等以上の硬辺部は冷却され拡散を抑制できると考え、黄銅に度が得られたのはレーザ照射による加熱効果でめ析出を試みた。その結果、図８のとおり熱伝導性っき皮膜中にNi ３Pが形成し、析出硬化したものが高い黄銅基板上でもめっき皮膜は広がることなと予想される。

く析出した。このことから、レーザのパルス化は、そこで、その構造をX線回折により評価した。
その結果を図７に示す。パルス照射ではNi ３Pの構造を示す回折ピークが確認でき、Ni ３Pによる図７ レーザにより析出した皮膜のX線回折ピーク― 61 ―

図８ 銅合金上にレーザにより析出させた例
レーザ照射条件：パルス照射（周波数5ｋHz）
照射時間3分熱伝導性が高い基板において、めっき皮膜の析出

７）北垣寛, 松田実, 山田章雄, 上條栄治；京都府
中小企業総合センター技報, 30, P85 （2002）

精度向上に有効であることがわかった。

８）北垣寛, 中村知彦, 松田実, 松本賢治；京都府

４結論

中小企業総合センター技報, 30, P113 （2002）

レーザ照射条件をパルス照射とすることにより

９）大野湶；金属表面技術, 39, P149（1988）

析出物の形状及び物性に与える影響について検討を行った結果、次のような知見が得られた。
・パルス照射条件では、連続照射と比較して、析出皮膜の形状は平滑で凹凸の少ないものを形成することができた。
・パルス照射条件での析出皮膜中のリン含有率は２％と連続照射の場合の約半分で、ビッカース硬度については、リン含有率が少ないにも関わらず通常の無電解ニッケルめっきとほぼ同等の硬さが得られた。
・連続照射条件では、部分的に析出が困難な黄銅に対しても、パルス照射では良好に皮膜を析出することができた。

文

献１）R.J.von Gutfeld, E.E.Tynan, R.L.Melcher
and S.E.Blum:Apple.Phys.Lett, 35, P651
(1979)
２）西川治良, 黒田和也, 南 晋一；表面技術, 40,675（1989）
３）佐藤祐一, 西山 卓, 永峰 聡, 小早川紘一；ファインプレーティング, 42, P44（1996）４）牧野英司,高木 修,柴田隆行;表面技術,51,199（2000）
５）T.Kikuchi, M.Sakairi, H Takahashi, Y.
yabe, and N.Katayama;Jurnal of The
Electrochemical Society,148(11)C740C745(2001)
６）北垣寛, 中村知彦, 藤本恭史, 松田実；京都府
中小企業総合センター技報, 29, P111 （2001）― 62 ―