JP2016510364A - アルミニウム膜の密着性を改善する方法 - Google Patents

Abstract

開示されている実施形態は、一般に、アルミニウム膜、および基材表面上のアルミニウム膜の密着性を改善するための前処理に関する。方法は、後に堆積されるアルミニウム膜に対する密着を促進する３次元密着面を基材上に提供するステップを含む。これらの方法によって、従来の密着促進処理に使用されるニッケルおよび銅などのストライク層の使用を回避できる。ある実施形態によると、方法は、アルミニウムの堆積の前に基材上に酸化アルミニウム密着層を提供するステップを含む。ある実施形態によると、方法は、アルミニウムの堆積の前に基材上にジンケート処理層を提供するステップを含む。ある実施形態によると、方法は、アルミニウムの堆積の前に基材表面の粗面化を行うステップを含む。ある実施形態は、２つ以上の基材前処理の組み合わせを含む。記載の方法は、後の陽極酸化プロセスのより高い自由度のために使用することができる。

Description

本開示は、一般に、アルミニウム膜、およびアルミニウム膜の堆積方法に関する。特に、堆積したアルミニウム膜の密着性を改善するための種々の方法が記載される。

電気めっきは、部品上に望ましい物理的品質を有する金属皮膜を形成するために工業的に広く使用されている方法である。たとえば、電気めっき皮膜は、摩滅および摩耗に対する抵抗性、防食性、および審美的品質を部品表面に付与することができる。電気めっき皮膜は、小さい部品上の厚さを増加させるために使用することもできる。

空気または水に曝露するとアルミニウム表面は急速に酸化物層を形成し、そのため電着される膜の良好な密着が阻害される傾向にあるので、アルミニウム基材は、特にめっきが困難となりうる。さらに、アルミニウムは陽極性のより高い金属の１つであるため、めっき溶液への曝露中に不十分な浸漬堆積物を形成する傾向にあり、そのため不連続なめっきが生じたり、めっきプロセスの故障が生じたりすることがある。さらに、アルミニウム膜をめっきする場合、めっき方法は、通常、純アルミニウム金属の基材上へのめっきを伴う。純アルミニウムは、規則的な微細構造および良好な化粧特性を有するが、比較的軟質であり、擦り傷が生じやすい。したがって、耐久性がめっきされた膜に望まれる特性となる工業用途におけるアルミニウムのめっきには大きな問題が存在する。

本明細書には、改善された密着性を有するアルミニウム膜に関する種々の実施形態が記載される。

一実施形態によると、アルミニウム基材の表面上に保護皮膜を形成する方法が記載される。この方法は、アルミニウム基材の表面上に密着促進層を形成するステップを含む。密着促進層は、アルミニウム基材の表面に対して実質的に垂直に配向した側壁を有する多数の空隙を有する。密着促進層は、後の陽極酸化プロセスと化学的に適合性する。この方法は、密着促進層上にアルミニウム層を堆積するステップをも含む。このアルミニウム層は、密着促進層の対応する空隙中に配置される多数のアンカー部分を有する。アンカー部分が密着促進層の側壁と係合することで、アルミニウム層に加わる剪断力に抵抗し、アルミニウム層が密着促進層に固定される。

さらなる一実施形態によると、基材上にアルミニウム層を形成する方法が記載される。この方法は、基板上に酸化アルミニウム密着層を形成するステップを含む。酸化アルミニウム密着層は、複数の対応する細孔壁によって画定される多数の細孔を有する。この方法は、形成ステップ中に、細孔壁の成長と、細孔壁の溶解とを同時に行うことで酸化アルミニウム密着層の平均細孔径を制御するステップをも含み、それによって平均細孔径が十分大きくなることで、後のアルミニウム層堆積プロセス中に、アルミニウム材料が内部に形成できるようになる。この方法は、酸化アルミニウム密着層上にアルミニウム層を堆積するステップをも含む。堆積ステップ中、アルミニウム層のアンカリング部分が、対応する細孔の少なくとも一部の中に形成される。アンカー部分が細孔壁と係合することで、アルミニウム層に加わる剪断力に抵抗し、アルミニウム層が密着促進層に固定される。

さらなる一実施形態によると、アルミニウム基材のための複合皮膜が記載される。この複合皮膜は、アルミニウム基材上に配置された第１の酸化アルミニウム層を含む。第１の酸化アルミニウム層は第１の硬度を有する。複合皮膜は、第１の酸化アルミニウム層上に配置された第２の酸化アルミニウム層をも含む。第２の酸化アルミニウム層は、第１の酸化アルミニウム層よりも光学的透明性が高い。第１の酸化アルミニウム層は、第２の酸化物層と一体となって隣接する。

記載の実施形態およびそれらの利点は、添付の図面とともに以下の説明を参照することにより十分に理解できるであろう。これらの図面は、記載の実施形態の意図および範囲から逸脱することなく当業者によって記載の実施形態に対して行うことができる形態および詳細のあらゆる変更を限定するものでは決してない。

堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための陽極酸化プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための陽極酸化プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための陽極酸化プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 リン酸陽極酸化プロセスを用いて形成された酸化アルミニウム密着層を含む部品の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の図を示している。 リン酸陽極酸化プロセスを用いて形成された酸化アルミニウム密着層を含む部品の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するためのジンケート処理（ｚｉｎｃａｔｉｎｇ）プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するためのジンケート処理（ｚｉｎｃａｔｉｎｇ）プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するためのジンケート処理（ｚｉｎｃａｔｉｎｇ）プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための粗面処理プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための粗面処理プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための粗面処理プロセスを含む前処理が行われる部品の断面図を示している。 アルミニウムの堆積と、基材の一部が陽極酸化される陽極酸化プロセスとが行われる部品の断面図を示している。 アルミニウムの堆積と、基材の一部が陽極酸化される陽極酸化プロセスとが行われる部品の断面図を示している。 アルミニウムの堆積と、基材の一部が陽極酸化される陽極酸化プロセスとが行われる部品の断面図を示している。 堆積されるアルミニウム層の密着性を改善するための基材前処理を含む高レベルプロセスを示すフローチャートを示している。 多数の部品のめっきに好適なめっき用ラック組立体を示している。

本出願による方法および装置の代表的な用途をこの項に記載する。これらの例は、単に状況を付け加え、記載の実施形態の理解を助けるために提供される。したがって、これらの具体的な詳細の一部またはすべてを用いずに記載の実施形態を実施可能なことが、当業者には明らかとなるであろう。別の例では、記載の実施形態が不必要に不明瞭となることを回避するために、周知のプロセスステップについては詳細に記載していない。他の用途も可能であり、したがって以下の例を限定として解釈すべきではない。

本出願は、アルミニウム膜、および基材上へのアルミニウム膜の提供に関する。本明細書に使用される場合、用語「膜」および「層」は同義で使用される。他の記載がなければ、本明細書に使用される場合、「アルミニウム」および「アルミニウム層」は、あらゆる好適なアルミニウム含有材料、たとえば純アルミニウム、アルミニウム合金またはアルミニウム混合物を意味することができる。本明細書に使用される場合、「純粋」または「ほぼ純粋」のアルミニウムは、一般に、アルミニウム合金または別のアルミニウム混合物よりもアルミニウム金属のパーセント値が高いアルミニウムを意味する。アルミニウム膜は、保護層および見た目の良い層の両方を消費者製品に付与するのに適している。たとえば、本明細書に記載の方法は、電子デバイスの筐体およびケーシングに保護被覆および外見を良くする被覆を提供するために使用することができる。

基材上に堆積されるアルミニウム層の密着性を改善する方法が本明細書に記載される。本明細書に記載の方法は、ストライク層を使用せずに基材に対するアルミニウム層の密着性を改善するために使用することができる。方法は、アルミニウム層を堆積する前の基材の前処理を含む。アルミニウム層を基材に固定するアンカリング領域として機能しうる間隙または空隙を有する３次元表面を基材上に形成する前処理。ある実施形態においては、方法は、アルミニウムを堆積する前に基材上に薄い酸化アルミニウム密着層を形成するステップを含む。ある実施形態においては、方法は、アルミニウムを堆積する前に基材上にジンケート処理層を形成するステップを含む。ある実施形態においては、方法は、アルミニウムを堆積する前に基板表面を粗面化するステップを含む。ある実施形態は、２つ以上の基材前処理の組み合わせを含む。

これらおよびその他の実施形態は、図１〜７を参照しながら以下に議論される。しかし、当業者であれば容易に認識されるように、これらの図面に関して本明細書に示される詳細な説明は、説明のみを目的としており、限定として解釈すべきではない。

前述のように、アルミニウム基材は空気または水に曝露すると迅速に自然酸化物層を形成するので、アルミニウム基材上への堆積は困難となりうる。自然酸化物層は、アルミニウムなどの多くの金属材料のアルミニウム基材表面への密着を妨害しうる。より良い密着性を得るための従来方法としては、ストライクまたはストライク層と呼ばれる銅またはニッケルめっきの薄層の形成が挙げられる。ストライク層は、一般にアルミニウム基材に対して、さらに後に堆積されるアルミニウム層に対して良好な密着性を示す。しかし、ストライク層の使用はいくつかの欠点を有する場合がある。たとえば、ストライク層によって、めっきプロセス中の部品のガルバニック腐食がより起こりやすくなりうる。特に、外部被覆層に擦り傷が生じて、めっきされたアルミニウム層に隣接するストライク層（および場合によりアルミニウム基材）が露出すると、異種の材料が露出することによって、ガルバニ電池が部品上に形成されうる。これによって、めっきおよび陽極酸化が行われた部品が後に腐食する危険性が増加しうる。

ストライク層の使用には製造の問題も存在しうる。ある製造方法においては、陽極酸化プロセスを使用してアルミニウム層全体が酸化アルミニウムに変換される。陽極酸化プロセス中、ストライク層が局所的に露出することで、部品全体で電流密度分布のばらつきが生じることがある。アルミニウム層の局所的に薄い領域は、陽極酸化がより速くなり、その結果、部品全体で厚さのばらつきを有する陽極酸化層が形成されうる。さらに、ストライク層の材料が、陽極酸化浴を汚染することがあり、得られる酸化アルミニウム中に欠陥が生じることがある。これらのプロセス中にストライク層が露出するのを回避するために、めっきされるアルミニウムの緩衝層を基材と酸化アルミニウム層との間に配置することができる。しかし、緩衝層によって、全体のアルミニウムおよび酸化アルミニウムのスタックの厚さが増加しうる。

ストライク層への到達を回避するために、アルミニウムの緩衝層をストライク層とアルミニウム層の残りの部分との間に残すことができる。アルミニウム層の厚さは部品全体で変動しうるので（電流密度のばらつきのため）、緩衝層の厚さは、部品全体にわたって最小限の厚さとなることが一般に要求される。緩衝層を使用することの欠点の１つは、アルミニウムおよび酸化アルミニウムのスタックに望ましくない余分な厚さが生じうることである。さらに、陽極酸化プロセス中、酸化アルミニウム層はアルミニウム層の厚さ近くまたはそれを超えて成長すると、陽極酸化溶液がストライク層と接触してストライク層と反応することがある。その反応生成物が陽極酸化溶液を汚染することがあり、それによって結果として得られる酸化アルミニウム層中に欠陥が生じうる。少なくともこれらの理由のため、ある用途においてはストライク層の使用を回避することが有益となりうる。しかし、電気めっき中、特に純粋またはほぼ純粋のアルミニウムをめっきする場合、アルミニウムは一般に基材に十分密着しないので、基材上にアルミニウムを直接めっきすることは困難となりうる。さらに、基材もアルミニウムでできている場合、アルミニウム基材は、その表面上に自然酸化物層を非常に形成しやすく、そのためその上へのめっきが困難となる。

基材上のアルミニウム層の密着性を改善するために、本明細書に記載の方法は、アルミニウム堆積プロセスの前に基材の前処理を行うステップを含む。前処理によって、ストライク層の使用が回避され、したがって、ストライク層の使用による欠点の一部は含まれない。前処理は、３次元の密着促進面を基材上に形成するステップを含む。アルミニウム層を密着促進面上に堆積すると、アルミニウムの一部は３次元密着促進面の間隙または空隙の中に堆積されるようになりうる。アルミニウム層のこれらの部分によって、アルミニウム層を基材表面に固定することができ、アルミニウム層の基材に対するより良い密着性を得ることができる。密着促進層は、銅および／またはニッケルを含有する物質などの非アルミニウム金属物質を実質的に含有しなくてよく、したがって後の陽極酸化プロセスと化学的に適合することができる。ある実施形態においては、密着促進面を形成するステップは、基材表面上に酸化アルミニウム密着層を形成するステップを含み、これは図１Ａ〜１Ｃおよび２Ａ〜２Ｂを参照しながら以下に説明される。別の実施形態においては、密着促進面を形成するステップは、基材表面上にジンケート処理層を形成するステップを含み、これは図３Ａ〜３Ｃを参照しながら以下に説明される。別の実施形態においては、密着促進面を形成するステップは、基材表面を粗面化するステップを含み、これは図４Ａ〜４Ｃを参照しながら以下に説明される。これらの実施形態は好適な例として示しており、密着促進面を提供する可能な方法の種類および範囲の限定を意味するものではないことを理解すべきである。

基材上に密着促進面を形成する方法の１つは、基材に対して密着促進特性を有する薄い酸化アルミニウム層を形成することによる方法である。図１Ａ〜１Ｃは、ある実施形態による酸化アルミニウム密着層を形成するステップを含むアルミニウム堆積プロセスが行われる部品１００の断面図を示している。図１Ａにおいて、アルミニウム基材１０２の薄い部分が酸化アルミニウム密着層１０４に変換される。酸化アルミニウム密着層１０４を形成する前に、アルミニウム基材１０２の上面は、あらゆる好適な仕上げ技術で処理することができる。たとえば、アルミニウム基材１０２は、鏡面光沢を有するように研磨することができる。別の実施形態においては、アルミニウム基材１０２は、テクスチャー加工面または粗面を有するようにテクスチャー加工される。酸化アルミニウム密着層１０４の形成は、アルミニウム基材１０２の一部が消費される変換プロセスであるので、酸化アルミニウム密着層１０４は、アルミニウム基材１２０と一体となり十分に密着する。酸化アルミニウム密着層１０４は、良好なアンカリング面を形成するのに十分厚く、後の電気めっきプロセスで基材１０２の表面が導電性を維持するのに十分薄くなるべきである。ある実施形態においては、酸化アルミニウム密着層１０４は約５マイクロメートル未満の厚さを有する。ある実施形態においては、酸化アルミニウム密着層１０４は約３マイクロメートル以下の厚さを有する。

酸化アルミニウム密着層１０４は、酸性電解液の使用を含む陽極酸化プロセスを用いて形成することができる。ある実施形態においては、電解液は、リン酸、シュウ酸、またはリン酸とシュウ酸との組み合わせを含む。リン酸および／またはシュウ酸は、標準的な陽極処理された細孔の平均直径よりも大きい平均直径を有する細孔１０５の形成を促進することができる。さらに、酸化アルミニウム密着層１０４は、一般に、標準的な陽極酸化された酸化アルミニウム層よりも低い細孔密度を有する。リン酸および／またはシュウ酸は、細孔１０５が成長するときに細孔１０５の細孔壁の一部を溶解させる傾向にあり、それによって、より大きな直径の細孔１０５およびより低い細孔密度が得られると考えられる。すなわち、リン酸および／またはシュウ酸条件における陽極酸化によって、細孔壁の成長と溶解とを同時に行うことができる。ある実施形態においては、細孔１０５は約１００ｎｍ以上の直径を有する。ある実施形態においては、酸性電解液はクロム酸および／または硫酸を含有する。ある実施形態においては、酸性電解液は、リン酸、シュウ酸、クロム酸、および硫酸の２種類以上の混合物を含有する。ある実施形態においては、酸化アルミニウム層１０４を活性化し、めっきされるアルミニウムとのより良好な密着を促進するために、酸化アルミニウム密着層１０４は、後のアルミニウムめっきプロセスの前に不活性雰囲気に曝露される。不活性雰囲気は、窒素またはアルゴン環境などの非酸化性雰囲気への部品１００の曝露を含むことができる。

図１Ｂにおいて、アルミニウム層１０６が酸化アルミニウム密着層１０４の上に堆積される。アルミニウム層１０６は、電気めっきプロセスなどのめっきプロセスを含むあらゆる好適なプロセスを使用して堆積することができる。ある実施形態においては、酸化アルミニウム密着層１０４の水分または空気への曝露を回避するために、酸化アルミニウム密着層１０４の形成のすぐ後に、アルミニウム層１０６が酸化アルミニウム密着層１０４の上に堆積される。ある実施形態においては、酸化アルミニウム密着層１０４は、窒素またはアルゴン環境などの水分を含有しない雰囲気中に置かれる。図示されるように、細孔１０５は十分に大きく、そのためアルミニウム層１０６のアンカリング部分１０７を細孔１０５の内部に形成することができる。細孔壁１０５は基材１０２の上面に対して実質的に垂直であり、それによって剪断力１０９がアルミニウム層１０６に加わると、アンカリング部分１０７が細孔壁１０５と係合し、アルミニウム層１０６を酸化アルミニウム密着層１０４に固定することができる。アルミニウム層１０６の酸化アルミニウム密着層１０４への密着強度は標準的な引張試験によって測定することができる。ある実施形態においては、引張試験によって測定されるアルミニウム層１０６の酸化アルミニウム密着層１０４に対する密着力は約７０ＭＰａ〜約８５ＭＰａの範囲である。

図１Ｃにおいて、アルミニウム層１０６の一部は、場合により酸化アルミニウム層１０８に変換される。図示されるように、酸化アルミニウム層１０８は、酸化アルミニウム密着層１０４の細孔１０５よりも直径が一般に小さい細孔１１２を有する。酸化アルミニウム層１０８は、従来の陽極酸化プロセスなどのあらゆる好適なプロセスを用いて形成することができる。部品１００はストライク層を含まず、それによって、ストライク層中の陽極酸化に干渉する材料によって生じる欠陥の発生が解消されることに留意されたい。すなわち、陽極酸化プロセス中に、欠陥を引き起こす材料に到達する可能性はない。したがって、アルミニウム層１０６は、ストライク層を用いた対応するアルミニウム層よりも薄くすることができ、それによって酸化アルミニウム密着層１０４、アルミニウム層１０６、および酸化アルミニウム層１０８のスタックの厚さを減少させることができる。ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層１０６が酸化アルミニウム層に変換される。ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層１０６およびアルミニウム基材１０２の一部が酸化アルミニウム層に変換される。ストライク層が介在しないので、これらの実施形態が実現可能となる。すなわち、酸化アルミニウム密着層１０４は陽極酸化プロセスに適合している。

図２Ａおよび２Ｂは、図１Ａ〜１Ｃを参照して前述した特徴を示す実際のアルミニウム部品２００の断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示している。図２Ｂは、図２ＡのＳＥＭ画像の一部の拡大図を示す挿入図である。部品２００は、アルミニウム基材２０２、酸化アルミニウム密着層２０４、アルミニウム層２０６、および酸化アルミニウム層２０８を含む。酸化アルミニウム密着層２０４はリン酸を含有する陽極酸化溶液を用いて形成した。挿入図の図２Ｂに明確に示されるように、アルミニウム層２０６の一部は酸化アルミニウム密着層２０４の細孔中に堆積し、アルミニウム層２０６および酸化アルミニウム密着層２０４は互いに機械的にかみ合っている。酸化アルミニウム密着層２０４の細孔は基材２０２の上面に対して実質的に垂直であり、それによって、剪断力がアルミニウム層２０６に加わると、アルミニウム層２０６の堆積部分が細孔の細孔壁と係合することができ、アルミニウム層２０６を酸化アルミニウム密着層２０４に固定することができる。

基材上に密着促進面を形成する別の方法は、基材上にジンケート処理層を形成することによる方法である。図３Ａ〜３Ｃは、ある実施形態によるジンケート処理層の形成を含むアルミニウム堆積プロセスが行われる部品３００の断面図を示している。図３Ａにおいて、ジンケート処理層３０４がアルミニウム基材３０２上に堆積される。ジンケート処理層３０４は、一般に、アルミニウム基材３０２をジンケート溶液に曝露することによって形成できる薄い導電性結晶層である。ジンケート溶液はテトラヒドロキソジンケーティング（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｘｏｚｉｎｃａｔｉｎｇ）イオン（Ｚｎ（ＯＨ）_４ ^２−）を含有し、これによってアルミニウム基材３０２上に形成される自然酸化物を除去することができる。一度形成されると、ジンケート処理層３０４は、アルミニウム基材３０２の再酸化を防止することができる。ある実施形態においては、シアン化物多金属（ｃｙａｎｉｄｅ ｍｕｌｔｉ−ｍｅｔａｌ）系ジンケート溶液が使用される。ジンケート処理層３０４は一般的に、後の陽極酸化プロセスと化学的に計算できる（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｕｔａｂｌｅ）。ある実施形態においては、ジンケート処理層３０４は非常に薄く、ある場合では約０．５マイクロメートル未満の厚さである。ある実施形態においては、めっきされるアルミニウムとのより良い密着を促進するために、後のアルミニウムめっきプロセスの前に、ジンケート処理層３０４を不活性雰囲気に曝露する。

図３Ｂにおいて、アルミニウム層３０６がジンケート処理層３０４の上に堆積される。挿入図で示されるように、ジンケート処理層３０４は、壁３０５によって取り囲まれた空隙を含む３次元結晶構造を有する。アルミニウム層３０６がジンケート処理層３０４の上に堆積されると、アンカリング部分３０７がジンケート処理層３０４の空隙中に堆積されるようになる。壁３０５は、基材３０２の上面に対して実質的に垂直となりうるので、剪断力３０９がアルミニウム層３０６に加わると、アンカリング部分３０７が壁３０５と係合し、アルミニウム層３０６を基材３０２に固定することができる。ある実施形態においては、引張試験によって測定されるアルミニウム層３０６のジンケート処理層３０４に対する密着力は約３０ＭＰａ〜約６５ＭＰａの範囲である。

図３Ｃにおいて、アルミニウム層３０６の一部は、場合により酸化アルミニウム層３０８に変換され、その内部には陽極処理による細孔３１２が形成される。酸化アルミニウム層３０８は、従来の陽極酸化プロセスなどのあらゆる好適な方法を用いて形成することができる。ジンケート処理層３０４は、部品３００中のストライク層をなくすことができ、それによってストライク層中の陽極酸化に干渉する材料によって生じる欠陥の発生が解消される。したがって、ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層３０６が酸化アルミニウム層に変換される。ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層３０６およびアルミニウム基材３０２の一部が酸化アルミニウム層に変換される。

基材上に密着促進面を形成するさらに別の方法は、基材上にテクスチャー加工または粗面処理が行われた表面を形成することによる方法である。図４Ａ〜４Ｃは、ある実施形態による基材粗面処理を含むアルミニウム堆積プロセスが行われる部品４００の断面図を示している。図４Ａにおいて、アルミニウム基材４０２の上面は、一連の山および谷を有する粗面４０４を有するようにテクスチャー加工される。あらゆる好適な表面テクスチャー加工または粗面化方法を使用することができる。ある実施形態においては、ブラスティング方法が使用され、ブラスティング媒体をアルミニウム基材４０２の上面に衝突させる。ある実施形態においては、レーザーテクスチャー加工法が使用され、連続またはパルスレーザーをアルミニウム基材４０２の上面全体に走査することで、不規則または規則的なピットパターンが形成される。ある実施形態においては、酸エッチング法が使用され、酸性溶液によってエッチングされ、アルミニウム基材４０２に粗面化された上面が形成される。ある実施形態においては、めっきされるアルミニウムとのより良い密着を促進するために、後のアルミニウムめっきプロセスの前に、アルミニウム基材４０２を不活性雰囲気に曝露する。

図４Ｂにおいて、アルミニウム層４０６がアルミニウム基材４０２の上に堆積される。図示されるように、アンカリング部分４０７が粗面４０４の谷の中に形成される。粗面４０４の谷の壁４０５は、基材４０２の上面に対して実質的に垂直であり、そのため、剪断力１３０９がアルミニウム層４０６に加わると、アンカリング部分４０７が壁４０５に係合して、アルミニウム層４０６を基材４０２に固定する。粗面４０４のそれぞれの谷は、図１Ａ〜１Ｃに関して前述した酸化アルミニウム密着層１０４の各細孔１０５の幅よりも一般に幅が広いことに留意されたい。ある実施形態においては、引張試験によって測定されるアルミニウム層３０６の基材４０２に対する密着力は約２９ＭＰａである。

図４Ｃにおいて、アルミニウム層４０６の一部が、場合により酸化アルミニウム層４０８に変換され、その内部に形成された細孔４１２を有する。酸化アルミニウム層４０８は、従来の陽極酸化プロセスなどのあらゆる好適な方法を用いて形成することができる。ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層４０６が酸化アルミニウム層に変換される。粗面によって、部品４００中のストライク層をなくすことができ、それによってストライク層中の陽極酸化に干渉する材料によって生じる欠陥の発生が解消される。したがって、ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層４０６が酸化アルミニウム層に変換される。ある実施形態においては、実質的にすべてのアルミニウム層４０６およびアルミニウム基材４０２の一部が酸化アルミニウム層に変換される。

ある実施形態においては、上記の前処理技術の１つ以上を組み合わせて使用することができる。たとえば、アルミニウム基材を粗面処理プロセスで処理し、次に酸化アルミニウム密着層を形成し、次にアルミニウム層を堆積することができる。別の一実施形態においては、アルミニウム基材を粗面処理プロセスで処理し、次にジンケート処理層を形成し、次にアルミニウム層を堆積する。ある実施形態においては、複数の前処理技術を組み合わせることで、アルミニウム層の基材に対する密着性を改善することができる。

前述したように、ストライク層がないことの利点の１つは、ストライク層材料の欠陥を生じさせることなく、アルミニウム層のより多くの部分、および場合により基材自体を酸化アルミニウムに変換できることである。これによって、後の陽極酸化プロセス中の自由度がより高くなり、基材上の酸化アルミニウム層の形成においてより多くの種類が可能となる。図５Ａ〜５Ｃは、アルミニウムの堆積、および基材の一部が陽極酸化される陽極酸化プロセスが行われる部品５００の断面図を示している。

図５Ａにおいて、密着促進面５０４がアルミニウム基材５０２の上に形成される。密着促進面５０４は、後のアルミニウム堆積プロセス中にアンカリング部分を形成できる３次元品質を有する任意の好適な表面である。前述したように、密着促進面５０４は、酸化アルミニウム密着層の表面、ジンケート処理層の表面、または基材５０２の粗面に対応することができる。基材５０２は、あらゆる好適な陽極酸化可能な金属または金属合金でできていてよい。

図５Ｂにおいて、アルミニウム層５０６が密着促進層上に堆積される。アルミニウム層５０６は基材５０２と同じ組成または異なる組成を有することができる。一実施形態においては、アルミニウム層５０６および基材５０２は、どちらも実質的に同じアルミニウム合金でできている。ある実施形態においては、アルミニウム層５０６は実質的に純粋なアルミニウムでできており、基材５０２はアルミニウム合金でできている。アルミニウム層５０６が実質的に純粋なアルミニウムでできている実施形態は、部品５００が光学的により明るい上層を有することが望ましい用途において望ましくなりうる。アルミニウム合金が一般に純アルミニウムよりも硬く、部品５００が良好な構造的支持を得ることができるので、基材５０２アルミニウム合金でできていてよい。

図５Ｃにおいて、実質的にすべてのアルミニウム層５０６が第１の酸化物層５０８に変換され、基材５０２の一部が第２の酸化物層５１０に変換されて、部品５００の複合皮膜が形成される。第１の酸化物層５０８および第２の酸化物層５１０は１つの陽極酸化プロセスの間に形成されるので、第１の酸化物層５０８は第２の酸化物層５１０と一体的に結合することができる。第１の酸化物層５０８および第２の酸化物層５１０は界面５１４によって分離される。陽極酸化プロセス中に形成される細孔５１２は、第１の酸化物層５０８中に形成され、界面５１４を越え、第２の酸化物層５１０の中まで続くことができる。アルミニウム層５０６および基材５０２が異なる組成を有する実施形態においては、第１の酸化物層５０８および第２の酸化物層５１０は、異なる物理的品質および／または外観を有しうる。たとえば、純アルミニウム層の変換によって得られた酸化アルミニウム層は、アルミニウム合金層の変換によって得られた酸化アルミニウム層よりも光学的な透明性または透光性が高くなりうる。すなわち、アルミニウム合金から得られる酸化アルミニウムは、より黄色く見えることがあり、より曇ったまたは光沢のない品質を有しうる。第１の酸化物層５０８および第２の酸化物層５１０は異なる硬度品質も有しうる。一実施形態においては、第２の酸化物層５０８は第１の酸化物層５１０よりも硬い。

図６は、記載の実施形態による基材前処理およびアルミニウムの堆積を含む高レベルプロセスを示すフローチャート６００を示している。６０２において、基材表面が前処理されて密着促進面が形成される。基材は、アルミニウムまたはその合金などの陽極酸化可能な材料でできていてよい。前処理は、間隙または空隙を有する３次元表面を提供するステップを含むことができる。前処理の例としては、酸化アルミニウム密着層の形成、ジンケート処理層の形成、および粗面化された基材表面の提供の１つ以上が挙げられる。ある実施形態においては、密着促進層は約３マイクロメートル未満の厚さを有する。６０４において、密着促進面は、場合により、不活性雰囲気に密着促進面を曝露することによって活性化される。好適な不活性雰囲気としては、窒素ガスおよび／またはアルゴンガスへの曝露を挙げることができる。

６０６において、アルミニウム層が基材の密着促進面上に堆積される。ある実施形態においては、アルミニウム層は、電気めっきプロセスなどのめっきプロセスを用いて堆積される。アルミニウム層は、基材と実質的に同じまたは異なる組成を有することができる。一実施形態においては、基材はアルミニウム合金でできており、アルミニウム層は実質的に純粋なアルミニウムでできている。アルミニウム層はあらゆる好適な厚さに堆積することができる。ある実施形態においては、アルミニウム層は約１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの範囲の厚さに堆積される。ある実施形態においては、アルミニウム層は約２マイクロメートル〜約４マイクロメートルの範囲の厚さに堆積される。

６０８において、アルミニウム層のアルミニウム層および基材の少なくとも一部は、場合により酸化物層に変換される。ある実施形態においては、陽極酸化プロセスを使用して酸化物層が形成される。ある実施形態においては、アルミニウム層の一部のみが酸化アルミニウム層に変換される。ストライク層がないことで、ストライク層材料に関連する欠陥の問題が生じることなく、陽極酸化プロセスによって、比較的より大きな割合のアルミニウム層を変換することができる。したがって、ある実施形態においては、基材近くの部分を含めたアルミニウム層の実質的に全体が酸化アルミニウムに変換される。ある実施形態においては、アルミニウム層の実質的に全体が酸化アルミニウム層に変換され、基材の一部が酸化物層に変換される。陽極酸化プロセスの条件は、酸化アルミニウム層が耐久性となり表面が魅力的になるように選択することができる。一般に、実質的に純粋なアルミニウム層から変換された酸化アルミニウム層は、アルミニウム合金から変換された酸化アルミニウム層よりも比較的透明または透光性の視覚的品質を有することができる。

製造環境においては、１つのめっき浴中で多数の部品をめっきすることができる。これらの部品は、図７に示されるラック組立体７００などのラック組立体の上に配置することができる。ラック組立体７００は、めっきプロセス中、ある実施形態においてはめっきプロセスの前または後のプロセス中に部品７０２ａ〜７０２ｌを支持するように構成される。たとえば、ラック組立体７００は、密着促進面の形成中、不活性雰囲気への曝露中、めっきプロセス中、および／またはめっき後の陽極酸化プロセス中に部品７０２ａ〜７０２ｌを支持するために使用することができる。このように、部品７０２ａ〜７０２ｌは、部品７０２ａ〜７０２ｌをラック組立体７００から取り外すことなく、プロセスステーション間で一体として一緒に移動させることができる。

ラック組立体７００は、めっきプロセス中、底部７１１をめっき槽の底部に向け、上部７１３をめっき槽の上部に向けて、めっき浴中に入れることができる。ラック組立体７００は、ラックフレーム７０４、排液棒７０６、およびカットアウト７１０を含む。部品７０２ａ〜７０２ｌは、カットアウト７１０中に配置することができ、それによって部品７０２ａ〜７０２ｌのそれぞれをラックフレーム７０４の端部から距離７１２だけ離すことができる。さらに、部品７０２ａ〜７０２ｌの外面およびラックフレーム７０４の外面は同じ面に沿って存在する。めっきプロセス中に、部品７０２ａ〜７０２ｌおよびラックフレーム７０４が１つの平坦面に近づくように、距離７１２は十分短くなるべきである。部品７０２ａ〜７０２ｌをラックフレーム７０４に接近させ、部品７０２ａ〜７０２ｌをラックフレーム７０４と同じ面に沿って配置することで、部品７０２ａ〜７０２ｌの端部、角、および平坦面に沿って均一な電流密度およびめっきを促進することができる。ある実施形態においては、排液棒７０６がラック組立体７００に加えられる。排液棒７０６は、ラックフレーム７０４に接続され、部品７０２ａ〜７０２ｌおよびラックフレーム７０４とは異なる面に沿ってラックフレーム７０４から外側に延在する。めっきプロセス中の化学物質の良好な排出を促進するために、ラックフレーム７０４に対してある角度で排液棒７０６を配置することができる。排液棒７０６は、部品７０２ａ〜７０２ｌを排液棒７０６に接続して固定する連結部分７０８を含むことができる。ある実施形態においては、連結部分７０８はねじなどの固定具を使用して部品７０２ａ〜７０２ｌに固定される。ラック組立体７００は特定の実施形態を示しており、別の実施形態においてはラックフレーム７０４、排液棒７０６、および部品７０２ａ〜７０２ｌの形状および配置を変更可能なことに留意されたい。

高純度アルミニウムで被覆するためのアルミニウム合金基材の加工において、ラック材料が、使用できる種々のプロセスステップと化学的に適合すべきことに留意されたい。ある実施形態においては、密着性改善処理（たとえば、リン酸陽極酸化）には、プロセスを正常に進行させるために、処理が行われる実質的にすべての表面が、強固な誘電体酸化物層を均一に形成する必要がある。後の処理ステップ（不活性雰囲気活性化）は、アルミニウム表面のみを露出させることも有益となりうる。裸のチタンは密着性に関して首尾良く機能しうるが、見た目に破損が生じる可能性がある。アルミニウムで被覆されたチタンのラックの使用によってこれらの欠陥が回避される。

全体がアルミニウム合金でできたラックは、ラックを変更せずに、密着性改善ステップ、不活性活性化ステップ、および高純度アルミニウム被覆プロセス後の任意の外見仕上げの陽極酸化に首尾良く使用することができる。ある実施形態においては、チタンラックも、アルミニウムで最初に被覆すれば、これらすべてのプロセスステップで使用することができる。チタンラックの有用性は、通常の処理後の洗浄および再生処理によって実質的に劣化しないことである。全体がアルミニウムでできたラックは、ある数の一連の処理サイクルによって消費され破壊される可能性がある。

説明を目的とした以上の記述では、記載の実施形態の十分な理解を得るため特定の用語を使用した。しかし、記載の実施形態を実施するための特定の詳細は不要であることは当業者には理解されよう。したがって、特定の実施形態の以上の記述は、説明および解説を目的として提供される。これらは排他的なものを意図するものではなく、記載の実施形態が開示される厳密な形態に限定されることを意図するものでもない。上記教示を考慮することで、多くの修正および変形が可能なことは、当業者には明らかとなるであろう。

Claims (30)

1. アルミニウム基材の表面上に保護皮膜を形成する方法であって：
   前記アルミニウム基材の表面上に密着促進層を形成するステップであって、前記密着促進層が、前記アルミニウム基材の前記表面に対して実質的に垂直に配向した側壁を有する複数の空隙を有し、前記密着促進層は、後の陽極酸化プロセスに化学的に適合するステップと；
   前記密着促進層上にアルミニウム層を堆積するステップであって、前記アルミニウム層が、前記密着促進層の対応する空隙中に配置された複数のアンカー部分を有し、前記アンカー部分が前記密着促進層の前記側壁と係合することで、前記アルミニウム層に加えられる剪断力に抵抗し、前記アルミニウム層が前記密着促進層に固定されるステップと、を含む方法。
2. 陽極酸化プロセスを用いて前記アルミニウム層の少なくとも一部を酸化アルミニウム層に変換するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. アルミニウム層の実質的に全体が前記酸化アルミニウム層に変換される、請求項２に記載の方法。
4. 前記陽極酸化中に、前記密着促進層と前記アルミニウム基材との間の境界を越えて、前記アルミニウム基材の一部を第２の酸化アルミニウム層の変換するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記アルミニウム基材が電子デバイスの筐体の少なくとも一部を構成する、請求項１に記載の方法。
6. 前記密着促進層が銅およびニッケルを実質的に含有しない、請求項１に記載の方法。
7. 前記酸化アルミニウム密着層が約３マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記密着促進層を形成するステップが：
   前記アルミニウム基材の前記表面上に酸化アルミニウム密着層を形成するステップであって、前記酸化アルミニウム密着層が、複数の対応する細孔壁によって画定される複数の細孔を有し、前記複数の細孔が、後のアルミニウム層堆積プロセス中に前記アルミニウム層のアンカリング部分をその中に形成するのに十分な平均細孔径を有するステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記酸化アルミニウム密着層が約３マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記密着促進層を形成するステップが：
    前記アルミニウム基材上にジンケート層を形成するステップであって、前記ジンケート層が前記複数の空隙を有する結晶構造を有するステップを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記ジンケート層が約０．５マイクロメートル未満の厚さを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記密着促進層を形成するステップの前に、前記アルミニウム基材の前記表面を粗面化するステップをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記アルミニウム基材がアルミニウム合金で構成される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記アルミニウム基材がアルミニウム合金で構成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
15. 基材上にアルミニウム層を形成する方法であって：
    前記基材上に酸化アルミニウム密着層を形成するステップであって、前記酸化アルミニウム密着層が、複数の対応する細孔壁によって画定される複数の細孔を有するステップと；
    後のアルミニウム層堆積プロセス中に、平均細孔径が、アルミニウム材料を中に形成するのに十分な大きさとなるように、前記形成ステップ中に、前記細孔壁の成長と、前記細孔壁の溶解とを同時に行うことによって、前記酸化アルミニウム密着層の前記平均細孔径を制御するステップと；
    前記酸化アルミニウム密着層上に前記アルミニウム層を堆積するステップであって、前記堆積ステップ中、前記アルミニウム層のアンカリング部分が、対応する細孔の少なくとも一部の中に形成され、前記アンカー部分が前記細孔壁と係合することで、前記アルミニウム層に加えられた剪断力に抵抗し、前記アルミニウム層が前記酸化アルミニウム層に固定されるステップとを含む、方法。
16. 前記基材が陽極酸化可能な材料で構成され、前記方法が、アルミニウム層の実質的に全体を酸化アルミニウムに変換し、前記基材の一部を酸化物層に変換するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記基材がアルミニウム合金で構成される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記基材がアルミニウム合金で構成される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記アルミニウム層が実質的に純粋なアルミニウムで構成される、請求項１５に記載の方法。
20. 前記アルミニウム基材が電子デバイスの筐体の少なくとも一部を構成する、請求項１５に記載の方法。
21. 前記アルミニウム基材が電子デバイスの筐体の少なくとも一部を構成する、請求項１６に記載の方法。
22. 前記酸化アルミニウム密着層を形成するステップが：
    リン酸、シュウ酸、クロム酸，および硫酸の少なくとも１つを含む陽極酸化溶液を用いて前記基材の陽極酸化を行うステップを含む、請求項１５に記載の方法。
23. 前記アルミニウム層を堆積するステップが、前記酸化アルミニウム密着層上に前記アルミニウム層を電気めっきするステップを含む、請求項１５に記載の方法。
24. 前記アルミニウム層を堆積するステップが、前記酸化アルミニウム密着層上に前記アルミニウム層を電気めっきするステップを含む、請求項１６に記載の方法。
25. 前記酸化アルミニウム密着層が約３ミクロン未満の厚さを有する、請求項１５〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. アルミニウム基材用の複合皮膜であって、前記複合皮膜が：
    前記アルミニウム基材上に配置された第１の酸化アルミニウム層であって、第１の光学的透明度を有する第１の酸化アルミニウム層と；
    前記第１の酸化アルミニウム層の上に配置された第２の酸化アルミニウム層であって、前記第１の光学的透明度よりも高い第２の光学的透明度を有する第２の酸化アルミニウム層とを含み、前記第１の酸化アルミニウム層が前記第２の酸化アルミニウム層と一体的に結合している、複合皮膜。
27. 界面が前記第１および第２の酸化アルミニウム層を分離する、請求項２６に記載の複合皮膜。
28. 前記アルミニウム基材が電子デバイスの筐体の少なくとも一部を構成する、請求項２６に記載の複合皮膜。
29. 前記第１の酸化アルミニウム層および前記第２の酸化アルミニウム層のそれぞれが複数の細孔を有する、請求項２６に記載の複合皮膜。
30. 前記第１の酸化アルミニウム層が前記第２の酸化アルミニウム層よりも硬い、請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の複合皮膜。
    第２の硬度であって、前記第１の硬度は前記第２の硬度よりも高い。
    
    

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