JP2006249450A - メッキ方法およびメッキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被メッキ物のメッキ層の厚さを均一にできる、簡便で実用的な電気メッキ方法および電気メッキ装置の提供。
【解決手段】 メッキ槽内で、被メッキ物を陰極とし対向する陽極との間に電流を流してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法において、陽極に面する陰極面の中央部に対向する陽極部を該陰極面の外周部に対向する陽極部より陰極面に近接して配置して、好ましくは陰極側から投影した陽極の投影面積が、陽極側から投影した被メッキ物の投影面積以上であり、陽極は白金族金属もしくは白金族金属の酸化物またはステンレス鋼である電気メッキ方法および電気メッキ装置。
【選択図】 図１

Description

本発明はメッキ方法およびメッキ装置に関し、詳しくは、簡便に均一なメッキ厚のメッキのできるメッキ方法およびメッキ装置に関する。

防錆膜形成、保護膜形成、光沢のある外観形成、電導性の付与などのために、金属をはじめとして多くの物品に電気メッキ（メッキと略称する）が施されている。最近は、電子部品の配線形成にもメッキが多用されている。特に金メッキのように高価な素材が用いられており、メッキ厚の管理はメッキ層の機能面は勿論、コスト面からも重要になっている。従来からメッキを施したくない部分は、いわゆるマスキングなどにより保護してメッキすることにより、必要な部分にのみメッキをする方法が知られていた。また、メッキ厚を均一にメッキするには、被メッキ物のメッキしたい部分と陽極との距離をできるだけ均一にしてメッキをしていた。そのため、被メッキ物の両側に陽極を配置してメッキをする方法等が採られていた。しかし、通常のメッキ方法では、被メッキ物の中央部分に較べ端部はメッキ層が厚くなり易い事が知られている。これは、陰極すなわち被メッキ物の端部付近は電流密度が高くなりやすく、均一電着性が損なわれ易いためである。図４のＡ図にメッキ槽中の電流密度を概念的に表した。Ｂ図にはその結果、陰極の被メッキ物に生じたメッキ層の状態を被メッキ物の断面図により示した。非特許文献１によれば陰極端部の電流密度が他の部分の４〜５倍になることも稀ではないとされている。電流密度を一定にするだけなら陽極と陰極とを極端に近づけてやればよいが、現実のメッキ方法としては実用的でない。陰極の端部付近の電流密度が高くなり均一電着性が損なわれると、被メッキ物の端部付近のメッキ層が厚くなり中央部の５倍の厚さになることも稀ではない。

このような端部におけるメッキ厚のばらつきを抑えるため、従来から種々の方法が考えられている。例えば、図５に示すように被メッキ物と陽極との間に遮蔽材を設置し、被メッキ物の端部付近のイオンの流動を遮蔽をしてこの部分の電流を抑制する方法である。この方法は一つひとつの被メッキ物に対しては効果的であるが、被メッキ物の形状や大きさに対応して遮蔽材の形状や位置を調整する必要がある。他の方法は、図６に示すように陽極の大きさを被メッキ物に較べて小さくして陰極付近の電流密度を一定にしてメッキ厚を調整する方法がある。この方法でもメッキ厚は均一化できるが、陽極の大きさの調整が難しく、陽極が小さくなりすぎると陽極への負荷が大きくなり、十分な陰極電流密度が達成できないためメッキ速度が遅くなり実用的ではない場合が多い。また、複雑な形状の被メッキ物には適用できないといわれている。図７には被メッキ物の周囲にダミーの冶具を配置し、被メッキ物端部が陰極としては端部ではなく中央部付近となるようにする方法がある。この方法も被メッキ物は均一にメッキできるが、ダミーの冶具に付着したメッキはロスとなり、金メッキなどの高価なメッキには不向きである。また、遮蔽材を用いる方法同様、被メッキ物の形状や大きさに対応して冶具を調整せねばならない。最近の工夫として、特許文献１には、遮蔽材をメッキ処理中に連続的に移動させ、さらに必要に応じて通電してメッキ液中の電流密度を調整することによるメッキ厚調整方法が開示されている。これは、上述の遮蔽材利用法の改良型であるが、同じような課題は残っている。特許文献２では、被メッキ物を特定の有機物および塩化パラジウムで前処理してからパラジウムメッキを施すことにより均一で薄いメッキ層を得ることができるとしている。この方法はパラジウムメッキには利用できてもメッキ一般に適用はできない。また、化学剤を多く使う前処理が必要となる。特許文献３では、被メッキ物のメッキ面を斜めにしてメッキ液中に配置することにより、気泡によるメッキ層の厚さ変化を抑制している。この方法は気泡の悪影響には好都合でも、被メッキ物端部へのメッキ層の集中を解決はできない。また、特許文献４ではメッキ液槽へのメッキ液の供給方法を工夫してメッキ厚を調整する方法を開示している。この方法も被メッキ物の表と裏のように広い面に対してメッキ厚を調整できるが、被メッキ物の端部のメッキ厚均一化には向いていない。

特開２００４−１６９１０６号公報 特開２００３−１５５５９２号公報 特開２００２−８０９９５号公報 特開２００２−２２０６９０号公報 日本プレーティング協会編「現場技術者のための実用メッキ（II）」９９頁、槇書店、昭和５７年７月３０日発行

上述のようにメッキ層の厚さを制御し、均一化することは各種の方法があるが、それぞれに課題がある。本発明においては、被メッキ物のメッキ層の厚さを簡便に、メッキ金属の種類によらず均一にでき、実用的なメッキ方法およびメッキ装置の提供を目的としている。

上記課題を解決するための手段は、
（１）被メッキ物を陰極とし対向する陽極との間に電流を流してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法において、陽極に面する陰極面の中央部に対向する陽極部を該陰極面の外周部に対向する陽極部より陰極面に近接して配置してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法である。
（２）陰極側から投影した陽極の投影面積が、陽極側から投影した被メッキ物の投影面積以上である（１）に記載の電気メッキ方法である。
（３）陽極表面が白金族金属または白金族金属の酸化物である（１）または（２）に記載の電気メッキ方法である。
（４）陽極がステンレス鋼である（１）または（２）に記載の電気メッキ方法である。
（５）メッキ槽内に被メッキ物を配置する陰極部と、陰極部に対向する陽極を備えた電気メッキ装置において、陽極に面する被メッキ物の中央部に対向する陽極部が該被メッキ物の外周部に対向する陽極部より該被メッキ物に近接するように配置されている電気メッキ装置である。
（６）メッキ槽中を被メッキ物が水平方向に移動して連続的にメッキされる電気メッキ装置において、陽極の上部および下部から陰極部までの距離が、陽極の中央部から陰極部までの距離より長い電気メッキ装置である。
（７）陽極表面が白金族金属または白金族金属の酸化物である（５）または（６）に記載の電気メッキ装置である。
（８）陽極がステンレス鋼である（５）または（６）に記載の電気メッキ装置である。

本発明のメッキ方法は、陽極に面する被メッキ物である陰極面の中央部に対向する陽極部を該陰極面の外周部に対向する陽極部より陰極面に近接して配置してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法および電気メッキ装置である。例えば、図２に示すように陽極として凸面状の形状で、その凸面が陰極側に面していて凸面の中央部が陰極のほぼ中央部と対向している構造であればよい。好ましくは、陽極の大きさとして陰極側から投影した陽極の投影面積が、陽極側から投影した被メッキ物の投影面積以上である電気メッキ方法および電気メッキ装置である。言い換えれば、陽極と陰極とが水平に対向している場合、陽極側から陽極と陰極を水平に見たときに陰極が陽極の影に隠れてしまう状態に陽極が配置されている。陽極が図１や図３に示すように複数に分かれている場合には、ひとつの陽極電源から電流を流しても良いし、それぞれ別々の電源から電流を流してもよい。別々に電流を流す場合は、制御が複雑になるが、陰極電流密度のきめ細かい調整が可能となり、延いては被メッキ物のメッキ厚の調整がより精密にできる。

本発明における陽極は溶性陽極でも不溶性陽極でもよい。溶性陽極は陽極自信が減肉するので、通常は不溶性陽極が用いられる。不溶性陽極としてはステンレス鋼陽極、炭素陽極、白金自体やチタン材に白金メッキしたりタンタル材に白金クラッドした白金陽極などの白金族金属または白金族金属の酸化物の陽極が使用されるが、耐久性、経済性等の面でステンレス鋼陽極または白金族金属もしくはその酸化物の陽極が好適である。ステンレス鋼では耐食性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼、例えば１８―８ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）等が好適である。白金族金属としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムおよび白金がある。本発明においては、メッキ液はメッキしたい金属等により適宜選べばよい。また、メッキ条件も何ら制限を受けない。メッキ前処理、メッキ温度、メッキ電圧、メッキ電流あるいはメッキ液への添加剤等も従来と特に変える必要がない。また、説明では陽極は陰極に対し片側のみとしているが、被メッキ物の全面にメッキしたい場合には陽極は陰極の両側に配置して両側の陽極を上述したような配置とする。

被メッキ物に均一で密着性の高いメッキ層を被覆したい場合は、陰極電流密度を均一にすることが重要である。一般に被メッキ物の端部や凸部、特に尖った端部は陰極電流密度が高くなりやすいので、この部分に対向する陽極の位置を他の部分に対向する陽極位置よりも陰極から遠ざけるようにする。定量的には、被メッキ物の形状やメッキ金属、メッキ速度などとの関係で決めるものであるが、平板表面など比較的単純な形状の被メッキ物にメッキする場合には、陰極端部に対向する陽極部の陰極からの距離は、陰極中央部に対向する陽極部の陰極からの距離の１．１〜６倍、好ましくは１．２〜３．５倍、さらに好ましくは１．４〜３．３倍とすることが望ましい。

本発明のメッキ方法によれば、被メッキ物の端部も中央部と変わらない厚さでメッキができ、均一で平滑なメッキ層を持つ製品が得られる。精密部品の場合、従来のように端部のメッキ厚が規格を外れ、これを研磨して調整することもなくなった。また、メッキ層の厚さのばらつきが小さくなるので、余裕として付着させていたメッキ厚が薄くでき、メッキ時間を短縮できる。また、高価な金属、例えば金やパラジウムのメッキでは原料使用量の低減効果は大きい。また、陽極の形状を工夫し、例えば図１のように、それぞれの陽極を個別に配置し、その位置を独立して移動できるようにしておけば、種々の形状や大きさの被メッキ物のメッキに同じ陽極の配置をすこし調整するだけで対応できる。

本発明の電気メッキ方法および電気メッキ装置の具体的な実施形態について図を参照にしながら説明する。図１は本発明のメッキ方法を実施するための典型的な本発明の電気メッキ装置を表している。Ａ図はメッキ槽の概念図、Ｂ図は陰極側から見たメッキ槽内の３個の陽極の形状を表している図である。陰極２はひっかけ冶具により陰極電源に接続されている被メッキ物である。此処では平板を想定しているが、形状はどのようなものでもよい。３個の陽極１ａ，１ｂ，１ｃはそれぞれ同じ陽極電源に接続されている。陽極の形状は、陽極１ａは長方形の板状、陽極１ｂは陽極１ａより大きい長方形の中央部の陽極１ａに相当する面積を除去した額縁状の平板形状、陽極１ｃも陽極１ｂより大きな板から陽極１ｂの外形に相当する部分を除去した額縁状の板状陽極である。陽極１ｃの外形は陰極２の陽極に面する外形と実質的に同じかそれより大きい。Ａ図の右側面から見た陽極１ａ，１ｂ，１ｃは一枚の長方形の陽極のように見え、被メッキ物である陰極２に対向するように配置してある。陽極はこの長方形の中央部の１ａから周辺部の１ｃとなるに従って陰極２との距離が長くなる。例えば、陰極２と陽極１ａとの距離を１とすると、陰極２と陽極１ｂとの距離は１．５、陰極２と陽極１ｃとの距離は２．５とする。メッキ槽４にはメッキ液が入っており、これは通常のメッキ液、例えば金、銀、銅、亜鉛、スズ、ニッケル、クロム、カドミウムなどメッキしたい金属イオンと、これらに対応する負インン物質、例えば硫酸イオン、シアンイオンなどが入っている。なお、陽極は白金電極を用いた。これに通電して必要な電気量を流せば相当するメッキ厚のメッキ被覆ができる。このようにすれば、図４に示したような単純な一枚の陽極でメッキした被メッキ物に較べメッキ厚にばらつきのない均一で平滑なメッキ被覆ができる。なお、メッキ槽中の矢印（→）はメッキ液中の電流を概念的に表しており、陽極１ｃからの電流は電極間の距離が長い分だけ弱いため、陰極２の端部で集中しても電流密度は陰極中央部と同じになることを表している。一方、図４ではこの陰極端部付近の電流は弱まっていない上に集中するので電流密度が高くなり、メッキされる量が増え、メッキ層が厚くなってしまうのである。図１のメッキ方法は陽極の配置の調整が可能なので被メッキ物の形状に応じてそれぞれの陽極の配置を調整して最適のメッキをすることができる。

図２も本発明のメッキ方法を実施するための実際的な本発明の電気メッキ装置を表している。図２は陽極１の形状が図１とは異なり、陰極側に向かって凸面となっている一体の陽極である。これにより、陰極中央部に対向する陽極部に較べ陰極端部に対向する陽極部の距離は長くなっている。このため陰極端部へのイオン電流の集中が抑制され均一なメッキが可能となる。この装置は陽極が複数でないので陽極配置の調整が楽である。図３は図１に類似した本発明のメッキ方法を実施するための実際的な本発明の電気メッキ装置を表している。図３は陽極の形状が図１とは少し異なり、中央が除去されていない円盤状で大きさの異なる陽極１ｄ，１ｅ，１ｆからなっている。円形と長方形の違いは本質的な問題ではない。例として、円形の被メッキ物を想定したから陽極も円盤状にしたものである。陽極１ｅ，１ｆの中央部が除去されていてもいなくてもメッキ効果という点からは大きな影響はない。白金電極のように高価な電極を用いる場合、材料費が問題になることはあるが、その他は図１で説明したものと同じである。

図８は本発明の連続メッキ装置および連続メッキ方法の例である。図８のＡ図は直方体の連続メッキ槽中の電極を表す平面図、Ｂ図は右側面図である。被メッキ物２は陰極電源と接続しているひっかけ冶具に吊るされてＡ図の、例えば左から右へと移動し、所定の滞留時間によりメッキされる。陽極は３個ひと組で複数組（図では５組）が陰極の被メッキ物の移動に対応して、Ａ図の左右方向に関しては均一な電流を流せるように被メッキ物に対向して配置されている。Ｂ図から判るようにひと組の陽極１ｈ，１ｇ，１ｈはメッキ槽の上部、中部、下部に配置されている。上部と下部の陽極１ｈは被メッキ物の上下の端部に対向しており、中部の陽極１ｇよりも陰極から離して配置されている。この部分の電極間の電気抵抗は大きくなり、被メッキ物の上下端部の陰極電流密度は過剰にならない。このようにすれば、連続的にメッキをしても被メッキ物の上下にメッキが付き過ぎ、メッキ厚のむらができることはない。なお、被メッキ物の左右の端部は隣の被メッキ物の端部と近接するように配置すれば、図７で説明したと同じように左右の端部にメッキむらはできないので均一なメッキができ、メッキ液のロスもなくなる。なお、説明の都合上、陽極と陰極は左右に対向しているが、陽極と陰極が上下に対向する構造、例えは陰極を上にした連続メッキ装置でも同様に本発明のメッキ方法が好適に実施できる。

（実施例１）
電子部品に用いられる代表的なプリント配線基板であるところのポリイミド樹脂フィルムに一般的な硫酸銅めっき液を使用して銅めっきを行った。ポリイミド樹脂フィルムには真空スパッタリング方法などにより既に銅が1μ程度成膜されているプリント配線用基板を使った。プリント配線用基板は300mmｘ450mmに切断されたものを陰極として図１に示すようなメッキ装置で銅メッキを行った。
メッキ液の組成
硫酸銅 １００ｇ／ｌ
硫酸 １９０ｇ／ｌ
塩素イオン ５０ｍｇ／ｌ
光沢剤 Ａ ０．５ｍｌ／ｌ
光沢剤 Ｂ ４．０ｍｌ／ｌ
（光沢剤は日本化学産業株式会社製・クッペライトＮＩＡを用いた）
プリント配線用基板を陰極２として、表面を陽極面に対向するようにそれぞれ垂直に配置した。陽極はチタン表面を白金被覆した白金電極を用いた。陽極は３つの部分陽極１ａ，陽極１ｂ，陽極１ｃからなり、陽極１ａは縦１００ｍｍ、横１００ｍｍの板上体であり、陽極１ｂは縦２００ｍｍ、横２００ｍｍの板状体から中心部を陽極１ａ分だけ、すなわち縦１００ｍｍ、横１００ｍｍを除去した額縁状の板状体であり、同様に陽極１ｃは縦３００ｍｍ、横４５０ｍｍの中心部を陽極１ｂおよび１ａ分だけ、すなわち縦２００ｍｍ、横２００ｍｍを除去した額縁状の板状体である。３つの陰極は、陽極側から見ると一枚の板状の陽極に見えるが、陽極１ａは陰極表面からの距離が６０ｍｍ、陽極１ｂは陰極表面からの距離が１００ｍｍ、陽極１ａは陰極表面からの距離が１５０ｍｍである。各陽極は導線により同じ陽極電源に接続されている。１０μｍ厚のメッキを目標に、陰極電流密度４Ａ／ｄｍ^２、すなわち総電流５４Ａで１２分間通電した。その後、プリント配線用基板を取り出し洗浄してメッキ層の厚さを測定した結果、最大厚さ１０．５μｍ、最低厚さ９．５μｍの平滑な表面が得られた。

（実施例２）
図２に示すような電極配置の装置を使用して予めニッケルめっきが施された印刷用ロールにクロムメッキを実施した。印刷用ロール外表面は銅メッキが施されており、直径300ｍｍ、長さ1200ｍｍの円筒状である。これを水平にセットして陰極とした。陽極の配置は、陰極から陽極１ｂまでの距離を、陰極から陽極１ａまでの距離の２倍、陰極から陽極１ｃまでの距離を、陰極から陽極１ａまでの距離の３倍とした。クロムメッキ液はサージェント浴を用い、定法に従って１００μｍ厚を目標にクロムメッキをした。メッキ終了後印刷用ロールの各部のクロムメッキ厚を測定したところ９８〜１０３μｍの平滑で高硬度のメッキがされていた。

（実施例３）
直径３０ｃｍのステンレス製円板を陰極として垂直に吊るし、この表面に対向するように陽極を配置した。陽極はそれぞれ直径１０ｃｍ、直径２０ｃｍ、直径３０ｃｍの１８−８ステンレス製円板で一組になっており、図３に示すように陰極および各陽極の中心が水平な一直線上に配置され、陰極面と各陽極面が対向するようにする。陽極は導線によりひとつの陽極電源に接続している。陰極からの距離は直径１０ｃｍの陽極が６０ｍｍ、直径２０ｃｍの陽極が１００ｍｍ、直径３０ｃｍの陽極が１５０ｍｍである。メッキ液は金銀合金電鋳用メッキ液（日進化成株式会社製オーロベースＵＧ−１６）を用い、ＰＨ９．５、６０℃で、６０分間、陰極電流密度１．５Ａ／ｄｍ^２でメッキした。得られたメッキ層は平滑で光沢のある白黄色の電鋳被膜であり、メッキ層厚は５２〜５５μｍであった。

（比較例１）
実施例１において、陽極を縦３００ｍｍ、横４５０ｍｍの板状として陰極から１００ｍｍの位置に対向するように配置した以外は実施例１と同様にして、プリント配線基板表面に銅メッキを行った。メッキされたプリント配線基板表面のメッキ厚はプリント配線基板中心部で４．３μｍ、外周部の厚いところで１４．５μｍであった。また、メッキ被膜表面は特に外周部で平滑性がなくなっており、いわゆるコゲが生じていた。

本発明のメッキ方法によれば容易に平滑で表面状態のよいメッキ被膜が得られ、特にメッキ層厚の均一なメッキ被膜が得られた。それに較べ従来法である一枚の陽極を使った以外ほぼ同様の条件でメッキをした場合は、メッキ面は平滑性がなく、外周部のメッキ厚は薄い中心部分の３倍以上となった。中心部分を１０μｍ以上のメッキ厚にするためには、２倍以上の時間とメッキ液を必要とし、端部は３０μｍ以上のメッキ厚となる可能性があり、製品の品質、生産性、経済性からも本発明のメッキ方法に較べ好ましくない。

本発明は平板や円筒などのような比較的簡単な形状の被メッキ物の大量、連続めっきに特に有効である。また、金メッキやパラジウムメッキのようにメッキ材料が高価で、できるだけメッキ材料のロスを抑えたいメッキ方法として特に効果的である。また、製品のメッキ厚の均一性が要求される場合にも適したメッキ方法である。さらに、連続メッキ方法としても優れたメッキ方法である。

図１は本発明のメッキ装置の一例の説明図である。Ａ図はメッキ槽内の電極配置の説明図、Ｂ図は陰極側から見た各陽極の形状図である。 図２は本発明のメッキ装置の一例の説明図であり、メッキ槽中の電極中央の水平断面を表している説明図である。 図３は本発明のメッキ装置の一例の説明図である。Ａ図はメッキ槽内の電極配置の説明図、Ｂ図は陰極側から見た各陽極の形状図である。 図４は従来のメッキ装置の説明図である。Ａ図はメッキ槽内の電極配置の説明図、Ｂ図はメッキされた被メッキ物のメッキの状態を表す断面図である。 図５は遮蔽材を備えたメッキ装置の説明図である。 図６は小さな陽極を備えたメッキ装置の説明図である。 図７は陰極の周りに冶具を備えたメッキ装置の説明図である。 図８は横型の連続メッキ装置の電極配置の説明図である。Ａ図は平面図、Ｂ図は側面図である。 なお、それぞれのメッキ槽内の矢印（→）はメッキ中の電流を表している。

符号の説明

１ ：陽極（全体）
１ａ：陽極（一部分）
１ｂ：陽極（一部分）
１ｃ：陽極（一部分）
１ｄ：陽極（一部分）
１ｅ：陽極（一部分）
１ｆ：陽極（一部分）
１ｇ：陽極（一部分）
１ｈ：陽極（一部分）
２ ：陰極または被メッキ物
２’：メッキされた被メッキ物
３ ：遮蔽材
４ ：メッキ槽
５ ：被メッキ物の端部
５’：メッキされた被メッキ物の端部
６ ：被メッキ物の中央部
６’：メッキされた被メッキ物の中央部
７ ：被メッキ物の周辺に配置した冶具

Claims (8)

1. 被メッキ物を陰極とし対向する陽極との間に電流を流してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法において、陽極に面する陰極面の中央部に対向する陽極部を該陰極面の外周部に対向する陽極部より陰極面に近接して配置してメッキ被膜を形成する電気メッキ方法。
2. 陰極側から投影した陽極の投影面積が、陽極側から投影した被メッキ物の投影面積以上である請求項１に記載の電気メッキ方法。
3. 陽極表面が白金族金属または白金族金属の酸化物である請求項１または２に記載の電気メッキ方法。
4. 陽極がステンレス鋼である請求項１または２に記載の電気メッキ方法。
5. メッキ槽内に被メッキ物を配置する陰極部と、陰極部に対向する陽極を備えた電気メッキ装置において、陽極に面する被メッキ物の中央部に対向する陽極部が該被メッキ物の外周部に対向する陽極部より該被メッキ物に近接するように配置されている電気メッキ装置。
6. メッキ槽中を被メッキ物が水平方向に移動して連続的にメッキされる電気メッキ装置において、陽極の上部および下部から陰極部までの距離が、陽極の中央部から陰極部までの距離より長い電気メッキ装置。
7. 陽極表面が白金族金属または白金族金属の酸化物である請求項５または６に記載の電気メッキ装置。
8. 陽極がステンレス鋼である請求項５または６に記載の電気メッキ装置。

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