JP2019210519A

JP2019210519A - 成膜用金属溶液及び金属被膜の成膜方法

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Publication number: JP2019210519A
Application number: JP2018107911A
Authority: JP
Inventors: 飯坂　浩文; Hirofumi Iizaka; 浩文飯坂
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-12-12
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Abstract

【課題】固相電析法において、イオンチャンネル構造を持つ固体電解質膜中を金属イオンが通過して基板上に早く到達するようにし、基板上で水素の発生よりも金属の析出を優位にして金属被膜の表面粗さを小さくすることができる、成膜用金属溶液を提供することを目的とする。【解決手段】陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、前記固体電解質膜を前記基材に接触させるとともに前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、前記固体電解質膜の内部に供給された金属イオンから前記基材の表面に金属を析出させることにより、前記基材の表面に金属被膜を成膜する方法において、前記固体電解質の内部に金属イオンを供給するための成膜用金属溶液であって、金属の水溶液、溶媒及び非イオン界面活性剤を含み、前記非イオン界面活性剤は、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下である疎水基とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、成膜用金属溶液及び金属被膜の成膜方法に関する。

従来、金属被膜の成膜方法として、陽極と陰極になる基材との間に固体電解質膜を配置し、陽極と固体電解質膜の間に金属イオンを含む水溶液を配し、固体電解質膜を基板に接触させ、陽極と陰極の間に電圧を印加し、水溶液を加圧することで水溶液の液圧にて固体電解質膜の内部から金属イオンを陰極側に析出させ、金属イオンの金属からなる金属被膜を基板の表面に成膜する、固相電析法（ＳＥＤ）と呼ばれる手法が知られている（特許文献１）。

一方、特許文献２には、電解液（還元剤溶液）として、０．２ｍｏｌ／ｌの硫酸スズ水溶液（硫酸スズ濃度：４０ｇ／ｌ、硫酸濃度：１００ｇ／ｌ、クレゾールスルホン酸濃度：３０ｇ／ｌ、ホルマリン（３７％）：５ｍｌ）が開示されている（特許文献２の段落００６３）。

特開２０１８−０３５４２６号公報特許第５６８１９１６号公報

スルホン酸基を有する固体電解質膜を使用する固相電析法を用いて、スズ等の金属を成膜するためには、酸性の金属溶液を用いなければならない。水分解により発生する水素の電極電位はｐＨに依存し、その関係は次式で表される。
Ｅ_Ｈ＝−０．０５９×ｐＨ
ここで、例えば酸性のスズ浴のｐＨは−１〜４付近であるので、ｐＨ−電位図に基づき、固相電析法によりスズを成膜すると、水素とスズが同時に発生することが分かる。

ここで、固相電析法に使用される固体電解質膜としては、一般に、スルホン酸基を有するもの、具体的には、Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）、ＡＧＣ旭硝子社製のＦｅｌｍｉｏｎ（商品名）、旭化成社製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名）及びゴアテックス社製のＧｏｒｅ−Ｓｅｌｅｃｔ等のペルフルオロスルホン酸系のイオン交換膜が使用される。これらの固体電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）骨格の主鎖が疎水性であり、エーテル結合やスルホン酸基を有する側鎖が親水性であるため、ＰＴＦＥ骨格主鎖とスルホン酸基側鎖が相分離した構造をとっており、水和水（水クラスター）がスルホン酸基を有する側鎖部分により保持されたイオンチャンネル構造を形成している。

固相電析法では、スズイオン等の金属イオンが固体電解質膜のイオンチャンネルを経由して移動するため、水クラスターによる摩擦力とイオンチャンネルの大きさが金属イオンの移動度（金属析出速度）を決める大きな要因になると考えられる。しかし、従来の金属溶液では、金属イオンが水クラスターに引き付けられ易いため、基板上に到達するのが遅く、したがって基板上では金属よりも水素の析出が起こり易く、基板上に気泡が発生して金属被膜の厚みがばらつく（表面粗さが大きい）という問題があった。

そこで本発明は、固相電析法において、イオンチャンネル構造を持つ固体電解質膜中を金属イオンが通過して基板上に早く到達するようにし、基板上で水素の発生よりも金属の析出を優位にして金属被膜の表面粗さを小さくすることができる、成膜用金属溶液及びそれを用いた金属被膜の成膜方法を提供することを目的とする。

本発明者は、添加剤として非イオン界面活性剤を用い、金属イオンを、水クラスターを強く引き付けない非イオン界面活性剤に引き付けさせ、また、非イオン界面活性剤の構造を特定して、固体電解質膜中への添加剤の流入効率を高めることにより、基板上において水素発生よりも金属の析出が優位になって上記課題が解決されることを見出し、発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。

（１）陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、前記固体電解質膜を前記基材に接触させるとともに前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、前記固体電解質膜の内部に供給された金属イオンから前記基材の表面に金属を析出させることにより、前記基材の表面に金属被膜を成膜する方法において、前記固体電解質の内部に金属イオンを供給するための成膜用金属溶液であって、
金属の水溶液、溶媒及び非イオン界面活性剤を含み、前記非イオン界面活性剤は、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下である疎水基とを有する、前記成膜用金属溶液。
（２）前記疎水基の最小長さが、１０Å以下である前記（１）に記載の成膜用金属溶液。
（３）前記親水基が、９〜１５ｍｏｌのエチレンオキサイド単位を有する前記（１）又は（２）に記載の成膜用金属溶液。
（４）前記非イオン界面活性剤の親水性親油性釣合が１３〜１５である前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の成膜用金属溶液。
（５）前記非イオン界面活性剤が、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物である前記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の成膜用金属溶液。
（６）前記金属の水溶液が、硫酸スズ水溶液である前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の成膜用金属溶液。
（７）陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、前記固体電解質膜に前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の成膜用金属溶液を接触させて前記固体電解質膜の内部に金属イオンを供給しながら、前記固体電解質膜を前記基材に接触させた状態で前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、供給された金属イオンから前記基材の表面に金属を析出させる、金属被膜の成膜方法。

本発明によれば、金属イオンは非イオン界面活性剤に引き付けられる。非イオン界面活性剤は水クラスターを強く引き付けないため、基板上に水素が析出する前に金属を析出させることができる。したがって、基板上で気泡が発生する前に金属被膜を成膜することができ、金属被膜の表面粗さを小さくすることが可能となる。

また、非イオン界面活性剤が特定の構造を有することにより、非イオン界面活性剤が固体電解質膜中のイオンチャンネルに流入し易くなり、金属イオンがより基板に到達し易くなるため、金属被膜の表面粗さをさらに小さくすることができる。

本発明における固体電解質膜中のイオンチャンネル構造を説明するための模式図である。非イオン界面活性剤におけるエチレンオキサイド単位の数と金属被膜の表面粗さとの関係を示すグラフである。非イオン界面活性剤の親水性親油性釣合（ＨＬＢ）値と金属被膜の表面粗さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の成膜用金属溶液は、金属の水溶液、溶媒及び非イオン界面活性剤を含む。そして、非イオン界面活性剤は、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下である疎水基とを有することを特徴とする。このような成膜用金属溶液は、陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、固体電解質膜を基材に接触させるとともに陽極と基材との間に電圧を印加し、固体電解質膜の内部に供給された金属イオンから基材の表面に金属を析出させる固相電析法（ＳＥＤ）において、固体電解質の内部に金属を供給するために使用される。

金属の水溶液は、成膜する金属の種類に応じて適宜選択することができる。固相電析法では、スルホン酸基を有する固体電解質膜を使用するため、金属の水溶液としては酸性の金属溶液を用いることが好ましく、具体例として硫酸溶液、メタンスルホン酸溶液、ホウフッ化物溶液等を挙げることができる。特に、スズ被膜を成膜するために硫酸スズ水溶液が好適に用いられる。成膜用金属溶液における硫酸スズの濃度は、成膜条件に応じて適宜設定することができるが、３０〜５０ｇ／ｌの範囲であることが好ましい。また、硫酸スズ水溶液のｐＨは、スズ被膜を成膜するため−０．１〜０．４の範囲であることが好ましいが、これに限定されるものではない。

溶媒は、極性・非極性物質をともに溶解し、固体電解質膜に悪影響を与えないものであれば適用可能である。例として、イソプロピルアルコール、１−プロパノール等を挙げることができる。最も好ましくはイソプロピルアルコールである。これらの溶媒は、いずれか一種を単独で、又は複数を組み合わせて用いることができる。溶媒の量は、他の成分量によって異なるが、例えば、成膜用金属溶液中５〜１５ｇ／ｌの範囲内である。

非イオン界面活性剤は、スズ等の金属の結晶成長点に吸着し、結晶成長を抑制することにより、結晶を微細化して緻密な平滑被膜を形成するものである（「めっき技術ガイド」、日本鍍金材料共同組合）。本発明における非イオン界面活性剤は、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下である疎水基とを有する。このような非イオン界面活性剤の、固体電解質膜中でのふるまいについて以下説明する。

本発明において用いられる固体電解質膜は、スルホン酸基を有しており、具体的には、ペルフルオロスルホン酸系のイオン交換膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）、ＡＧＣ旭硝子社製のＦｅｌｍｉｏｎ（商品名）、旭化成社製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名）及びゴアテックス社製のＧｏｒｅ−Ｓｅｌｅｃｔ（商品名）等）が好ましく用いられる。最も好ましくはＮａｆｉｏｎである。これらのペルフルオロスルホン酸系固体電解質膜の分子構造は、ＰＴＦＥ骨格の主鎖が疎水性であり、エーテル結合やスルホン酸基を有する側鎖が親水性であるため、ＰＴＦＥ骨格主鎖とスルホン酸基側鎖が相分離した構造をとっている。ペルフルオロスルホン酸系高分子電解質膜は線状の高分子で、架橋がなくてもフッ素化された炭素骨格の疎水性部分が結晶化（２５％と見積もられている）した構造を保っており、スルホン酸基を有する残りの側鎖部分は、親水性部分として相分離し、水和水（水クラスター）を内包するイオンチャンネル構造を形成している。図１は、このようなイオンチャンネル構造を模式的に表したものである。図１に示すように、固体電解質膜におけるイオンチャンネル構造１では、スルホン酸基を有する側鎖部分により、水クラスター３０（クラスター径は４０〜４５Åと見積もられている）が保持されており、電位を印加することによって、スズイオン等の金属イオン２０が、陽極から陰極の方向に固体電解質膜のイオンチャンネルを経由して移動し、疎水基１１及び親水基１２を有する非イオン界面活性剤１０が、金属イオン２０を引き寄せて随伴する。なお、固体電解質膜のイオンチャンネル構造や、水クラスター径は、電子顕微鏡や小角Ｘ線散乱により観測することができる。

固相電析法において、非イオン界面活性剤が固体電解質膜中に効率的に流入するためには、非イオン界面活性剤がイオンチャンネルに小さい抵抗で流入され、非イオン界面活性剤が水クラスター内に相互作用が少ない状態で内挿される（非イオン界面活性剤が固体電解質膜のイオンチャンネル内壁に付着捕捉される）ことが重要である。本発明では、非イオン界面活性剤がイオンチャンネルに小さい抵抗で流入するようにするため、非イオン界面活性剤の親水基を、水クラスターと水素結合する直鎖状のエチレンオキサイドとし、非イオン界面活性剤の疎水基の最大長さを、水クラスター径よりも小さい４０Å以下の環状構造とした。また、非イオン界面活性剤の疎水基の最小長さは１０Å以下であることが好ましい。

環状構造であるベンゼン環は、π電子共役系であるため、エチレンオキサイドからなる親水基よりも小さくでき、非イオン界面活性剤がイオンチャンネルに流入する際の抵抗を小さくすることができる。疎水基の最大長さは、イオンチャンネルに流入させるため４０Å以下であることを要するが、図１のイオンチャンネル構造１のネック部１ａを円滑に通過させるため、好ましくは１０Å以下であり、特に好ましくは５Å以下である。ここで、疎水基の最大長さ及び最小長さは、疎水基部位の排除体積を計算し、それぞれその排除体積における最も長い径及び最も短い径をいう（排除体積については、桑原: 高分子, Vol.18, No.203, 1969、及び福田: 東洋曹達研究報告第16巻第1号（1972）を参照）。なお、疎水基部位の排除体積は、分子量及び分子構造から求めることができる。分子量は、ガスクロマトグラフィー質量分析（ＪＩＳＫ０１２３：２００６）又は高速液体クロマトグラフィー質量分析（ＪＩＳＫ０１３６：２０１５）により求めることができる。また、分子構造は、赤外分光分析（ＪＩＳＫ０１１７：２０００）、ガスクロマトグラフィー質量分析（ＪＩＳＫ０１２３：２００６）又は定量核磁気共鳴分光法（ＪＩＳＫ０１３８：２０１８）により求めることができる。

非イオン界面活性剤が水に溶解する度合い、すなわち、界面活性剤の親水性の度合い（疎水基の疎水性に比べて親水基の親水性が大きいか小さいかの尺度）は、グリフィンにより、以下のように親水性親油性釣合（ＨＬＢ）として定義され、ＨＬＢと非イオン界面活性剤の性質との関係が見出されている。
非イオン界面活性剤のＨＬＢ
＝（親水基部分の分子量）／非イオン界面活性剤の分子量）×１００／５
＝親水基重量／（疎水基重量＋親水基重量）×１００／５
＝親水基重量％濃度×１／５
本発明における非イオン界面活性剤の親水性親油性釣合（ＨＬＢ）は、１３〜１５の範囲内であることが好ましい。ＨＬＢが上記範囲内であると、浸透作用、洗浄作用及び乳化作用（Ｏ／Ｗ型）を有する非イオン界面活性剤が得られ、非イオン界面活性剤が固体電解質膜に浸透し易く、水クラスターと非イオン界面活性剤の疎水基との相互作用が小さくなるため好ましい。

以上のような非イオン界面活性剤の好適な例としては、疎水基が、クミルフェノール、ビスフェノール、ノニルフェノール及びオクチルフェノール等のフェノール誘導体、α−ナフトール、β−ナフトール等のナフトール誘導体のエチレンオキサイド付加物を挙げることができる。その中でも、下記式に示すクミルフェノールエチレンオキサイド付加物は、２つの環状構造の間に炭素が介在し、立体構造が変形し易く、イオンチャンネル内に流入し易いため特に好ましく用いられる。

固相電析法では、電位が印加されることにより、陽極から陰極の方向にスズイオン等の金属イオンが固体電解質膜中を電気泳動する。非イオン界面活性剤は、直鎖状エチレンオキサイドからなる親水基を持ち、エチレンオキサイドにはエーテル結合があるため、エーテル結合が金属イオンを引き寄せ、電気泳動する金属イオンに非イオン界面活性剤が随伴される。その際の非イオン界面活性剤の固体電解質膜への流入は、高分子の分子動力学シミュレーションによって説明することができる。

高分子の分子動力学シミュレーションは、１９９０年頃より広く用いられるようになり、原子レベルの形状、排除体積、フレキシビリティをできるだけ忠実に再現しようとする粗視化分子動力学法（ビーズ−スプリングモデル）が適用されている（K. Kremer and G. S. Greet, J. Chem. Phys., 92(8), 5057(1990)及びY. Cho, H. Watanabe and S. Granick, J. Chem. Phys., 110(19), 9688(1999)を参照）。本発明における非イオン界面活性剤では、直鎖状エチレンオキサイドが螺旋構造を持つため、ビーズ−スプリングモデルを適用することが可能である。

ビーズ−スプリングモデルを非イオン界面活性剤に適用した場合、図１に示すように、非イオン界面活性剤１０が水クラスター３０内に内挿され、非イオン界面活性剤１０の親水基１２の末端がイオンチャンネル構造１のネック部１ａに流入する際に、スズイオン等の金属イオン２０の電気泳動方向と直交する方向における親水基１２の部位の振動が抑制され、親水基１２の末端が固定端になる。そのため、非イオン界面活性剤１０の疎水基１１が水クラスター３０内にいる場合（エチレンオキサイドの長さが水クラスター３０の径よりも短いか長い場合）には、末端の親水基１２が固定端で、もう一方の末端の疎水基１１が自由端となり、金属イオン２０の電気泳動方向と直交する方向における疎水基１１の振動は抑制されず、疎水基１１と水クラスター３０の相互作用（斥力）が強くなり、金属イオン２０及び非イオン界面活性剤１０の流入効率が低下するものと推察される。これに対し、非イオン界面活性剤１０の大きさが、水クラスター３０の径とほぼ等しい場合、末端の親水基１２が固定端で、もう一方の末端の疎水基１１も固定端となるので、非イオン界面活性剤１０の両末端がイオンチャンネル構造１０のネック部１ａに同時に流入することになり、金属イオン２０の電気泳動方向と直交する方向における非イオン界面活性剤１０の振動が抑制され、非イオン界面活性剤１０を固体電解質膜中に最も高速に内挿可能になると考えられる。

このような観点から、本発明における非イオン界面活性剤のエチレンオキサイド単位の数は、９〜１５ｍｏｌであることが好ましい。より好ましくは１１〜１３ｍｏｌである。エチレンオキサイド単位の数が上記範囲内であると、非イオン界面活性剤の大きさが水クラスターの径とほぼ等しくなり、エチレンオキサイド鎖が柔軟性に富むため、非イオン界面活性剤が効率的に固体電解質膜のイオンチャンネルのネック部に内挿されることとなり、また、非イオン界面活性剤の親水基に含まれるエーテル結合は金属イオンが配位可能な孤立電子対を有し電気陰性度が負であるため、スズイオン等の金属イオンと近接し、効率的に金属イオンを輸送することができるので、スズ溶液が分解して発生する水素ガスよりも優先的にスズを析出させることが可能となり、金属皮膜の表面粗さを小さくすることができ、均一で光沢を持つ金属被膜を得ることができる。

成膜用金属溶液における非イオン界面活性剤の濃度は、低過ぎると、成膜表面に存在する非イオン界面活性剤の量が少なくなって金属イオンの輸送効率が低下し、逆に高過ぎると、イオンチャンネル近傍の非イオン界面活性剤の量が多くなり、排除体積効果によって金属イオンがイオンチャンネルを通過し難くなるため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、成膜用金属溶液中の非イオン界面活性剤の濃度は０．０１〜０．０５Ｍの範囲内であることが好ましい。

その他、本発明の成膜用金属溶液には、ハンダの濡れ広がり性を高めることを目的として、２−メルカプトベンゾチアゾール、ゼラチン、ポリエチレングリコールノニルフェニルエーテル等の添加剤を必要に応じて含むことができる。これら添加剤の濃度は、特に限定されるものではないが、２−メルカプトベンゾチアゾールが３〜８ｍｌ／ｌ、ゼラチンが１〜３ｇ／ｌ、ポリエチレングリコールノニルフェニルエーテルが１５〜２５ｇ／ｌの範囲内であることが好ましい。

以上の成膜用金属溶液を用いて、固相電析法により金属被膜を成膜することができる。すなわち、陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、その固体電解質膜に成膜用金属溶液を接触させて固体電解質膜の内部に金属イオンを供給しながら、固体電解質膜を基材に接触させた状態で陽極と基材との間に電圧を印加し、供給された金属イオンから基材の表面に金属を析出させることにより行うことができる。

固体電解質膜内の金属イオンは成膜時に析出するとともに、固体電解質膜には陽極側の水溶液から金属イオンが供給されることになる。したがって、水溶液を随時供給することで、陽極を交換することなく、所望の膜厚の金属被膜を複数の基板の表面に連続して成膜することも可能である。

また、本発明の金属被膜の成膜方法では、固体電解質膜を基板に接触させた際に金属イオンを含む水溶液を加圧することにより、この水溶液の液圧にて固体電解質膜を介して基板を加圧しながら、金属被膜の成膜を行うことが好ましい。その際、パスカルの原理に基づき、固体電解質膜は加圧された水溶液の液圧によって基板表面を均一に加圧することができる。このような加圧状態で陽極と陰極の間に電圧を印加することで、均一な膜厚の金属被膜を基板の表面に成膜することができる。

成膜時の電圧等の各条件は、成膜面積や、金属被膜の種類、目標とする膜厚等に応じて適宜設定することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（非イオン界面活性剤の合成方法）
実施例における非イオン界面活性剤として用いる、４〜６０ｍｏｌのエチレンオキサイド単位を有するクミルフェノールエチレンオキサイド付加物は、クミルフェノールに、各鎖長のエチレンオキサイドを付加反応させて合成した。疎水基であるクミルフェノール部位の大きさは、最大長さが約１０Å、最小長さが約３Åである。
比較例１における非イオン界面活性剤としては、クレゾールスルホン酸（エチレンオキサイド単位は０ｍｏｌ）を用いた。疎水基であるクレゾール部位の大きさは、最大長さが約５Å、最小長さが約３Åである。

（実験方法）
陰極とする表面形態観察用基板として、ニッケルＳＥＤ膜（厚さ：４μｍ、基板：銅スパッタ基板、電流密度：１００ｍＡ／ｃｍ^２、電解液：１Ｍ塩化ニッケル水溶液＋酢酸（ｐＨ４．０）、温度：８０℃、圧力：０．５ＭＰａ、大きさ：１０×１０ｍｍ）を用いた。成膜用金属溶液として、０．１９Ｍ硫酸スズ水溶液＋０．０１４Ｍ非イオン界面活性剤＋イソプロピルアルコール（溶媒）を含む溶液を調製した。溶液中、硫酸スズの濃度は４０ｇ／ｌ、硫酸の濃度は１００ｇ／ｌ、ＩＰＡの濃度は１７ｇ／ｌである。固体電解質膜としてイオン交換膜（Ｎ１１７、デュポン（株）製）、陽極としてスズ箔（ＳＮ−４４３２６１、（株）ニラコ製）を使用し、基板温度を４０℃、圧力を０．５０ＭＰａ、４μｍのスズ膜厚を狙い、スズ成膜面積を１０×１０ｍｍ、電圧を０．２Ｖとして、固相電析法によって基板上にスズ被膜を成膜した。ここで、成膜領域は、基板上にポリイミドテープ（カプトン粘着テープ：６５０Ｒ＃２５、（株）寺岡製作所製）により１０×１０ｍｍ角の開口部を形成して作製した。得られたスズ被膜について表面粗さ（十点平均高さ、Ｒｚ．Ｊ９４（μｍ））を測定した。表面粗さの測定は、触針式表面粗さ測定機（ＳＶ−６２４、ミツトヨ製）を使用し、ＪＩＳＢ０６０１に従って行った。測定した結果を表１に示す。また、非イオン界面活性剤におけるエチレンオキサイド単位の数と金属被膜の表面粗さとの関係を図２に、親水性親油性釣合（ＨＬＢ）値と金属被膜の表面粗さとの関係を図３にそれぞれ示す。なお、表１中、均一性に関しては、Ｒｚ．Ｊ９４が３μｍ以下で光沢のあるものを○、Ｒｚ．Ｊ９４が３μｍを超え４μｍ以下、及び／又は光沢のないものを△、それ以外を×としている。

スズ膜を成膜する前の、ニッケル層のみのＲｚ．Ｊ９４は１．２５μｍであり、ニッケル層上にスズ被膜を成膜すると、表１に示すように実施例及び比較例とも表面粗さは増加した。スズ被膜の表面粗さが大きいと、ハンダのぬれ性が悪くなるため、スズ被膜の表面粗さは小さいほど好ましいが、表１に示すように、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下、最小長さが１０Å以下である疎水基とを有する非イオン界面活性剤を用いた実施例１〜９のスズ被膜は、いずれもある程度の光沢を有し、表面粗さも比較的小さかった。一方、非イオン界面活性剤がエチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基を有さない比較例１では、スズ粒子が面を持ち、粒径も大きく、不均一なスズ被膜が得られた。また、スズ被膜は光沢がなく（無光沢）、表面粗さも大きかった。比較例１の結果は、スズの析出よりも水素の発生が優先的に行われ、固体電解質膜とニッケル基板の界面に水素が凝集して、固体電解質膜とニッケル基板との接触が局所的に妨げられ、十分な加重を印加することができず、成膜ムラを生じたことによるものと考えられる。

また、エチレンオキサイド（ＥＯ）単位が９ｍｏｌより小さいと、ＥＯ長が固体電解質膜のイオンチャンネル構造におけるクラスター径４０Åよりも小さくなり、スズ被膜にムラが生じ、半光沢となった。また、ＥＯ単位が１５ｍｏｌよりも大きいと、ＥＯ長がクラスター径よりも大きくなるため、非イオン界面活性剤の流入効率が変化し、ニッケル膜上にスズが島状に成長し、半光沢となった。それに対し、表１及び図２に示すように、特にエチレンオキサイド（ＥＯ）単位が９〜１５ｍｏｌの範囲である実施例３〜６のスズ被膜は、ＥＯ長がクラスター径４０Åに近く、スズ被膜が均一に成長し、光沢性にも優れていた。

（比較例２）
非イオン界面活性剤として、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物に代えて、疎水基が環状構造を有しないラウリルアミンエチレンオキサイド付加物を用いた以外は、上記実施例と同様にして成膜用金属溶液を調製し、固相電析法によってニッケル層上にスズ被膜を成膜した。
ここで、ラウリルアミンエチレンオキサイド付加物は、ラウリルアミン（Ｃ０６８４、東京化成）１モルに、触媒として水酸化ナトリウム１ｇを加えて溶液とし、この溶液を１６５℃に加熱し、その溶液に、加圧し液状としたエチレンオキサイドを必要量だけ吸収させ、付加反応終了後、水酸化ナトリウムを希硫酸で中和して合成した。
ＥＯ単位が７ｍｏｌ、１４ｍｏｌ及び２１ｍｏｌであるラウリルアミンエチレンオキサイド付加物を用いて得られたスズ被膜は、ＥＯ単位のモル数によらず、いずれも未析出部があり、半光沢となった。

（比較例３及び４）
非イオン界面活性剤として、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物に代えて、疎水基の最大長さが約１５０Åであり、最小長さが１０Åよりも長いポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル（比較例３、花王（株）製エマルゲンＡ−６０、疎水基の最小長さは約１５Å）又はポリオキシエチレントリベンジルフェニルエーテル（比較例４、花王（株）製エマルゲンＢ−６６、疎水基の最小長さは約１５Å）を用いた以外は、上記実施例と同様にして成膜用金属溶液を調製し、固相電析法によってニッケル層上にスズ被膜の成膜を試みた。
その結果、スズ被膜を得ることはできなかった。この結果は、固体電解質膜中のイオンチャンネルに非イオン界面活性剤が流入できなかったことにより、スズイオンを輸送し難くなり、スズ被膜の成膜が困難になったためと推定される。

（比較例５）
非イオン界面活性剤として、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物に代えて、親水基部分がプロピレンオキサイド／エチレンオキサイド共重合体（ＰＯ鎖５７％、ＥＯ鎖４３％）であるクミルフェノールプロピレンオキサイドエチレンオキサイド付加物を用いた以外は、上記実施例と同様にして成膜用金属溶液を調製し、固相電析法によってニッケル層上にスズ被膜の成膜を試みた。
その結果、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物を用いた場合に比べて電流効率（析出しためっき重量とファラデーの法則から計算されためっき析出理論量との比）が８５％から５５％まで低下し、均一なスズ被膜が得られなかった。これは、非イオン界面活性剤の親水基が直鎖状ではなく、プロピレンオキサイド鎖がエチレンオキサイド鎖よりも立体障害があり、そのために非イオン界面活性剤がイオンチャンネルに流入し難くなったためと考えられる。

（実施例１０〜１５）
非イオン界面活性剤としてクミルフェノールエチレンオキサイド付加物（ＥＯ単位は１０ｍｏｌ）を用い、非イオン界面活性剤の濃度を変えて実施例１０〜１５に係る成膜用金属溶液を調製した。それぞれの成膜用金属溶液を用い、上記実施例１と同様にして、固相電析法によりニッケルＳＥＤ膜上にスズ被膜を成膜した。析出しためっき重量から算出した電流効率（％）を表２に示す。

実施例１０〜１５では、いずれも表面粗さが小さく、均一なスズ被膜が得られた。特に、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物の濃度が０．０２〜０．０８の範囲内である実施例１１〜１４では、高い電流効率が得られた。これに対し、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物の濃度が低い実施例１０と、濃度が高い実施例１５では、電流効率は７０％以下に低下した。この結果は、低濃度では、成膜表面に存在するクミルフェノールエチレンオキサイド付加物の量が少なく、スズイオンの輸送効率が低下し、また、高濃度では、イオンチャンネル近傍において、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物の量が多くなり、排除体積効果によって、スズイオンがイオンチャンネルを通過し難くなることによるものと推定される。

１イオンチャンネル構造
１ａネック部
１０非イオン界面活性剤
１１疎水基
１２親水基
２０金属イオン
３０水クラスター

Claims

陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、前記固体電解質膜を前記基材に接触させるとともに前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、前記固体電解質膜の内部に供給された金属イオンから前記基材の表面に金属を析出させることにより、前記基材の表面に金属被膜を成膜する方法において、前記固体電解質の内部に金属イオンを供給するための成膜用金属溶液であって、
金属の水溶液、溶媒及び非イオン界面活性剤を含み、前記非イオン界面活性剤は、エチレンオキサイド単位を有する直鎖状の親水基と、環状構造を有し最大長さが４０Å以下である疎水基とを有する、前記成膜用金属溶液。
前記疎水基の最小長さが、１０Å以下である請求項１に記載の成膜用金属溶液。
前記親水基が、９〜１５ｍｏｌのエチレンオキサイド単位を有する請求項１又は２に記載の成膜用金属溶液。
前記非イオン界面活性剤の親水性親油性釣合が１３〜１５である請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜用金属溶液。
前記非イオン界面活性剤が、クミルフェノールエチレンオキサイド付加物である請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜用金属溶液。
前記金属の水溶液が、硫酸スズ水溶液である請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜用金属溶液。
陽極と、陰極となる基材との間に、スルホン酸基を有する固体電解質膜を配置し、前記固体電解質膜に請求項１〜６のいずれか一項に記載の成膜用金属溶液を接触させて前記固体電解質膜の内部に金属イオンを供給しながら、前記固体電解質膜を前記基材に接触させた状態で前記陽極と前記基材との間に電圧を印加し、供給された金属イオンから前記基材の表面に金属を析出させる、金属被膜の成膜方法。