研究報告 №６（２０１６）

インバー FeNi合金／SiC複合めっき膜の作製
表面処理チーム
研究部長

要永山
中村富男，山本俊博

貴代

旨
インバーめっき膜の機械的特性の向上を目的として，インバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜を作製し，得られた複合めっき膜の硬さ特性を評価した。めっき液中にSiC粒子（平均粒径約0.
5μm，0～20g/L）を分散させた複合めっき法により，SiC共析量が22.
4vol%までのインバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜が得られた。インバー Fe
Ni合金めっき膜中にSiC粒子が共析することにより，600℃熱処理によるめっき膜の硬さの低下が抑制され，SiC粒子を含まない熱処理後のインバー合金めっき膜及び溶製インバー合金の硬さに比べ高硬度を有した。特にSiC共析量が20vol%以上の複合めっき膜の硬さは，600℃熱処理前後においてほとんど変化しなかった。以上の結果から，SiCを共析（20vol%以上）したインバー FeNi合金／SiC複合めっき膜に600℃熱処理を施すことにより，高硬度かつ低CTEのインバー／SiC複合膜を得ることができ，この複合めっき膜は，高い機械的強度と高い熱寸法安定性が要求されるMEMS部材への応用が期待される。

1．はじめにMEMS用のマイクロ／ナノモールド などに用いる場合，

鉄－ニッケル（以下，FeNi）合金は，その合金比率めっき膜の機械的特性の向上が必要となる。

により室温付近の線膨張係数（coefficientofthermal

めっき膜の硬さや耐摩耗性などの機械的特性を向上

expansion，以下，CTE）が変化し，中でもNi含有率30させるためには，複合めっき法によりめっき金属マト

6～50mass%のFe
Ni合 金 のCTEがFe（CTE＝12×10／2
リックス中にSiCやAlO3粒子を共析させ，金属／硬質6℃），及びNi（CTE＝13×10 ／℃）単体に比べ小さい微粒子複合体を形成させることが有効である6)。しか特徴を示す1）。特に，Ni含有率36mass%のFe
Ni
合金は，し，これまでの複合めっきに関する検討では，金属マ6

トリックスとしてNiまたはNiを主成分とするNi合金をインバー合金と称され，そのCTEが約 1×10 ／℃とな1)

り，FeNi
合金系において最小のCTE値を有する 。従っ使用した報告6)がほとんどであり，低CTEを示すFe
Niて，インバーめっき法では，一般的な圧延，機械加工，及合金を金属マトリックスに用いた検討例は見当たらなびエッチング加工に比べ，高スループットで高寸法精い。

度のインバー合金膜を得ることができる。さらに，イ

そこで本研究では，金属マトリックスに インバー Fe-ンバー合金の電鋳プロセスにより，熱寸法安定性に優Ni
合金めっき膜を，硬質微粒子にSiCをそれぞれ用いれたマイクロ 3次元構造の自立膜（例えばMEMS）をた複合めっきを行うことで，インバー Fe
Ni合金／SiC2)

複合めっき膜7)を作製し，得られた複合めっき膜の硬作製することも可能となる 。
そこで我々は，インバー電鋳プロセス（KEEPNEX®3)）

さ特性を評価したので報告する。

により，大型・高精細OLEDディスプレ イ用のインバーメタルマスクを作製した。得られた メタルマスクの2．実験方法

6CTEは，めっきしたままでは約10×10 ／℃となり，溶2． 1 複合めっき浴及びめっき条件

製インバー合金のCTE値に比べ大きな値を示すが，600Fe
Ni合金めっき浴組成4)は，FeSO4・7H2O 0.
35mol/L6℃の熱処理によって約 3×10／℃に低CTE化し，一般

2（97.
3g/L），Ni
SO4・6H2O 0.
95mol/
L（250g/L），NiCl・的なニッケル電鋳製メタルマスクの約1/4の低い値を6H2O 0.
17mol/L（40g/L），H3BO3 0.
49mol/L（30g/L），2)示すことを報告した 。

及びC7H4NNa
O3S・ 2H2O（サッカリンナトリウム 2水

しかし，インバー合金めっき膜は，600℃での熱処理和物）0.
008mol/L（ 2g/L）とした。また，合金めっき4,5)により，粒成長が生じ強度が低下する。結果として，600℃熱処理を施した低CTEインバー合金めっき膜は，－22－3+浴 のp
H緩 衝 剤 及 びFeの マ ス ク 剤 と し て

HOOCCH2COOH（マロン酸）を0.
05mol/L（5.
2g/L）添京都市産業技術研究所
3e36mass%Niの値を使用），Si
Cの密度を8.
1g/cm（溶製F加した。
合金めっき浴は，純水に各試薬を溶解し活性炭処理密度を3.
2g/cm3とし 算出した複合めっき膜中のSiCのを行い調製した。合金めっき浴のpHは， 5%H2SO4水体積分率に及ぼすめっき浴中のSiC粒子濃度の影響を溶液及びNi
CO3・ 2N（Oi H）2・ 4H2Oを用いてpH2.
5に調図 1に示す。

整した。使用した市販試薬については，NiCO3・2Ni

めっき浴中のSiC粒子濃度の増大に伴い，複合めっ2（OH）・4H2Oは試薬メーカー規格品を，その他の試薬

き膜中のSiCの共析量は直線的に増大し，本めっき条については特級を用いた。

件では22.
4vol%までのSiC粒子を インバー Fe
Ni
めっき

複合めっき膜の分散粒子にはαSiC（平均粒径約0.
5

膜中に共析することができた。

μm， 0～20g/L）を用いた。
定電流電源（ウェハ用精密めっき電源YPP15100，㈱山本鍍金試験器製）を用いて 4A/dm2の電流密度で定電流電解を行った。陰極にステンレ ス板（SUS304）を使用し，陽極にはアノード バック中に挿入した純Fe板（㈱山本鍍金試験器製）及び電解Ni板（住友金属鉱山㈱製）を用いた。ステンレ ス板は，前処理として市販の剥離処理液（ニッカノンタック，日本化学産業㈱製）に浸漬後，めっきに用いた。合金めっき浴は50℃に保持し，ポンプによる液循環を行った。電解後，水洗，乾燥し，得られた複合めっき膜をステンレ ス素地から機械的に剥離し，各測定に供した。
図 1 めっき浴中のSiC粒子濃度と複合めっき膜中のSiCの体積分率との関係．

2． 2 複合めっき膜の組成
NiFe合金／Si
C複合めっき膜の合金組成は，けい光X線分析装置（ZSX primus
Ⅱ，㈱リガク製）を用いて，ファンダ メンタルパラメータ（FP）法により決定した。

3． 2 FeNi合金／Si
C複合めっき膜の硬さ及び線膨張係数に及ぼす600℃熱処理の影響
図 2に，種々 SiC共析量のインバー Fe
Ni合金／SiC

2． 3 複合めっき膜の硬さ及び熱膨脹測定
複合めっき膜の硬さは，厚さ約100μmのめっき膜の複合めっき膜の硬さに及ぼす600℃熱処理の影響を示

断面の中心部分をマイクロビッカース硬度計（HM200，す。既報4,5)の通り，SiCを共析していないインバー Fe-㈱ミツトヨ製，荷重0.
49N）を用いて室温で測定した。

Ni合金めっき膜の硬さは，600℃熱処理により230HVか複合め っき膜の熱膨張測定には，熱膨張計（TD-ら140HVまで低下し，溶製 イン バー合金の硬さ（約5000S，ネッチジャパン㈱製，圧縮荷重法（荷重 3g））

120HV）とほぼ同値を示した。

を用いた。測定には，長さ20mm，幅 5mmの短冊状に一方，インバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜におい切断しためっき膜を用いた。測定条件は，昇温速度 5ては，熱処理の有無に関わらず，SiC粒子の共析量の℃/min，N2雰囲気（200mL/min）とし，30～100℃にお増大に伴い硬さが増大し，さらに，熱処理後のめっきけるCTEを求めた。

膜については，SiC粒子の共析に伴う硬さの増加率が熱処理なしの場合に比べ増大した。結果として，インバー Fe
Ni
合金めっき膜中にSiC粒子が共析することに

3．結果及び考察より，600℃熱処理による硬さの低下が抑制され，SiC

3． 1 FeNi合金／SiC複合めっき膜の組成得られた複合めっき膜のマト リックス相としての粒子を含まない熱処理後のインバー合金めっき膜，及FeNi
合金の合金組成はFe35～37mass%Niとなり，インび溶製インバー合金の硬さに比べ高硬度を有した。特バー Fe
Ni合金のNi含有率36mass％と同等の組成を示にSiC共析量が20vol%以上の複合めっき膜の硬さは，した。そこで，マト リック相の インバー Fe
Ni合金の600℃熱処理前後においてほぼ変化しなかったことか－23－

研究報告 №６（２０１６）
ず，めっきしたままでは10～11×10-6／ ℃となり，溶製インバー合金CTEに比べ大きな値を呈するが，600℃
熱処理後のCTEは 1～ 2×10-6／℃となり，溶製合金と同等の低CTE特性を示した。
4．まとめ
インバーめっき膜の機械的特性の向上を目的として，
インバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜を作製し，得られた複合めっき膜の硬さ特性を評価した。めっき液中にSiC粒子（平均粒径約0.
5μm， 0～20g/L）を分散させた複合めっき法により，SiC共析量が22.
4vol%までの

図 2 種々 SiC共析量のインバー FeNi合金／SiC複合めっき膜の硬さに及ぼす600℃熱処理の影響．
●めっきしたまま，○600℃熱処理後インバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜が得られた。イ
ンバー FeNi
合金めっき膜中にSiC粒子が共析することにより，600℃熱処理によるめっき膜の硬さの低下が抑ら，膜のCTE化のための熱処理後においても高硬度特制され，SiC粒子を含まない熱処理後の インバー合金性が維持されることが判明した。

めっき膜及び溶製インバー合金の硬さに比べ高硬度を熱処理後のインバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜が有した。特にSiC共析量が20v
ol%以上の複合めっき膜

高硬度特性を示す要因として，めっき膜中へのSiC共の硬さは，600℃熱処理前後においてほとんど変化しな8)

析による分散強化 が考えられる。さらに，金属マトかった。以上の結果から，SiCを共析（20vol%以上）

リックス中に第 2相粒子としてSiCが分散することで，した イン バー Fe
Ni
合金／SiC複合めっき膜に600℃熱

熱処理時の結晶粒の成長が抑制され9)，結果として組処理を施すことにより，高硬度かつ低CTEのインバー織の微細化によって高硬度特性が生じていることも推／Si
C複合膜を得ることができ，この複合めっき膜は，察される。そのため，今後，インバー Fe
Ni
合金／SiC

高い 機械的強度と 高い 熱寸法安定性が 要求され る複合めっき膜のSiC共析による強化機構について，金MEMS部材への応用が期待される。

属組織学的な検討を詳細に行う予定である。
表 1に，600℃熱処理前後におけるインバー Fe
Ni合付

金めっき膜及びインバー Fe
Ni合金／SiC複合めっき膜

記本研究で使用したけい光X線分析装置は，平成19年（SiC共析率22.
4vol%）のCTE（30～100℃）を示す。

度J
KA補助物件であり，付記して謝意を表す。

インバー FeNi
合金めっき膜及びインバー Fe
Ni
合金／

さらに本研究の一部は，地域イノベーションクラス

Si
C複合めっき膜のCTEは，SiCの共析の有無に関わらタープログラムグローバル型（第Ⅱ期）「京都環境ナノクラスター」における研究成果であることを付記して謝意を表す。

表 1 600℃熱処理前後におけ るインバー FeNi
合金
め っ き 膜 及 び イン バ ー FeNi
合 金 ／SiC複 合めっき膜（SiC共析率22.
4v
ol%）のCTE（30～100℃）．

参考文献
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3）商標登録第5851946号4）山本貴代,永山富男,中村俊博,水谷泰:表面技術，62,702(2011).
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－24－京都市産業技術研究所6）I Garcia, J Fransaer,JP Celis: Surf. Coat.
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