JP3952743B2 - Manufacturing method of fine metal parts - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の立体形状を有する微細金属部品の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近時、LSIをはじめとする半導体チップ用の機能部品や、あるいはマイクロマシンの部品などとして、厚みがおよそ100μm超で、かつサブミクロンオーダーの精度を有する微細な立体形状を有する金属部品が実用化されつつある。
かかる微細金属部品の製造方法としては、ダイレクトLIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)法が有益である。
【0003】
このダイレクトLIGA法では、例えば数百μmの高さを有する微細金属部品の製造や、あるいはミクロン領域の精度を有する加工が可能であって、高いアスペクト比(高さ/幅)を有する微細金属部品を容易に製造できるため、広範な分野での応用が期待されている。
ダイレクトLIGA法によって微細金属部品を製造するためには、まず導電性基体上に、感光性のレジスト構造体を形成する。レジスト構造体の厚みは、製造する微細金属部品の高さに設定する。
【0004】
次にこのレジスト構造体に、所定のパターンを有するマスクを介して、たとえばSR(Synchrotron Radiation)光等のX線を照射したのち、レジスト専用の現像剤を用いて現像して、レジスト構造体に、微細金属部品の形状に対応した、導電性基体表面に達する微細な通孔パターンを形成する。
そして上記通孔パターンの部分で露出した導電性基体上に、当該導電性基体を電極とする電気めっきによって選択的にめっき被膜を成長させることで、通孔パターンの形状に対応した微細金属部品を形成したのち、レジスト構造体および導電性基体を除去すると微細金属部品が得られる。
【0005】
しかし上記のようにダイレクトLIGA法では、非常に高精度ではあるが製造コストが高くつく、X線の照射によって通孔パターンを形成したレジスト構造体を、微細金属部品の製造に1回だけしか使用することができない。このため微細金属部品の大量生産には限界があり、個々の微細金属部品の製造コストが高くつくという問題がある。例えば導電性基体として直径4インチのウエハを用いた場合に、一度に製造できる微細金属部品の個数は数十個〜数千個程度である。
【0006】
X線に比べて照射のコストが安価な紫外線を使用することも考えられるが、紫外線はX線よりも波長が長く、しかも指向性がないため、それだけ大きく回折する結果、レジスト構造体の、通孔パターンのエッジ部が丸くなったり、あるいは深さ方向に光が発散したりして、通孔パターンの形状が変形しやすい。このため、微細金属部品の形状の精度が低下するという問題がある。
また電子線は、紫外線より波長が短いものの、レジスト構造体を形成する材料などとの相互作用が大きいため、レジスト構造体の厚み方向に深く入り込むことができない。このため、通孔パターンを形成できるレジスト構造体の厚みには限界があり、電子線は、とくにアスペクト比の高い微細金属部品の製造には適していない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ダイレクトLIGA法に代わる微細金属部品の製造方法として、微細金属部品のもとになる微細金型(親金型)を用いて、射出成形あるいは反応性射出成形等によって、上記微細金属部品の形状に対応した微細な通孔パターンを有する樹脂製の型を形成したのち、この型を、導電性基体の表面に接着して、あとはダイレクトLIGA法と同様にして微細金属部品を製造する方法がある。
【0008】
この方法では、例えばレジスト構造体へのX線の照射および照射後の現像による微細パターンの形成(以下「X線リソグラフ法」とする)と、かかる微細パターンへの電鋳とによって親金型を作製することで、当該X線リソグラフ法による高精度を維持しつつ、1つの親金型から、樹脂製の型を多数、形成することができるため、これまでよりも微細金属部品を大量に、かつ安価に製造することが可能となる。
【0009】
樹脂製の型は、電気めっき時にずれたりしないように、接着剤を用いて、導電性基体の表面に固定する必要がある。
しかし接着剤は、接着時に、型の通孔パターンの部分にはみ出しやすく、それをそのままにしておくと、電気めっき時にめっき被膜成長の妨げとなって、所定の形状を有する微細金属部品を形成できない原因となる。
そこで、はみ出した接着剤を除去するために、電気めっき前の通孔パターンの内部を溶剤で洗浄(ウエットエッチング)したり、あるいはドライエッチングしたりすることが考えられるが、いずれの処理も樹脂の型にダメージを与えやすく、とくに通孔パターンのエッジ部が丸くなったり、あるいは通孔パターンの側壁が抉り取られたりして、通孔パターンの形状が変形しやすい。このため、微細金属部品の形状の再現性が低下するという問題がある。
【0010】
本発明の目的は、とくにコーナーエッジが鋭く、かつ高さ方向の垂直性に優れた、アスペクト比の高い微細金属部品などを再現性良く、しかもより少ない工程で安価かつ大量に製造することができる微細金属部品の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項1記載の発明は、平均粒径が400nm以下である微細な金属粉末(鎖状のものを除く)を導電成分として含有した導電ペーストからなる導電膜を介して、導電性基体上に、微細金属部品の形状に対応した微細な通孔パターンを有する、絶縁材料からなる型を固定した形状の電鋳型を用意する工程と、この電鋳型の通孔パターンの部分で露出させた導電膜の表面、または導電性基体と導電膜の表面に、これらの部分を電極とする電気めっきによって選択的にめっき被膜を成長させることで、通孔パターンの形状に対応した微細金属部品を形成する工程と、を含むことを特徴とする微細金属部品の製造方法である。
【0012】
前記課題を解決するため、発明者は、接着剤に代えて、導電成分として金属粉末を用いた導電ペーストを使用することを検討した。すなわち前記樹脂の型を、導電ペーストからなる導電膜を介して導電性基体上に固定した状態で、上記型の通孔パターンの部分で露出させた導電膜の表面、もしくは導電ペーストを従来の接着剤と同様に使用して通孔パターンの部分で露出させた導電性基体と、そこにはみ出した導電ペーストからなる導電膜の表面に、これらの部分を電極とする電気めっきによって選択的にめっき被膜を成長させるようにすれば、接着剤のはみ出しとその除去に伴う種々の問題を解消できるものと考えた。
【0013】
しかしこの方法に従来の、一般的な導電ペーストを用いた場合には、形成された微細金属部品中の、金属の結晶粒の粒径が、その全体もしくは一部の厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなるため、全体にわたって均一な結晶構造を有し、良好な特性を有する微細金属部品を製造できないことが判明した。
この原因についてさらに検討したところ、以下の事実が明らかとなった。
すなわち従来の導電ペーストは、導電成分として、平均粒径が1μm以上という、微細金属部品と比較してもあまり小さくない金属粉末を含有している。
【0014】
このため従来の導電ペーストを用いて形成した導電膜の表面を、微細金属部品の大きさのレベルで微視的に見ると、金属粉末が露出した導電部分と、その間の絶縁部分とが、金属粉末の大きさにあわせて不規則な斑状に分布した状態となっており、電気的に均一でない。
しかも導電膜の表面は、同様に微細金属部品の大きさのレベルで微視的に見ると、金属粉末の大きさに対応した、微細金属部品の大きさと比べてもあまり小さくない凹凸を有しており、平坦でもない。
【0015】
電気めっきによるめっき被膜の結晶構造は下地の影響を受けやすく、上記のようにその表面が電気的に均一でない上、平坦でもない導電膜を下地としてめっき被膜を成長させた際には、特に成膜初期の段階で生成する結晶粒の粒径が、例えば平坦な金属表面にめっき被膜を成長させた際に得られる本来の粒径よりもかなり大きくなる傾向を示す。
そして膜の成長が進み、その表面が平坦な金属面に近づいた段階で、はじめて、平坦な金属表面に成長させた場合と同等の本来の粒径を有する結晶粒が生成するようになり、その後はこの粒径で膜が成長する。
【0016】
このため導電膜上に成長させためっき被膜は、その厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有するものとはならず、金属の結晶粒の粒径が厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなる。
具体的には、例えば導電性基体上の、通孔パターンの底の全面に亘って導電膜を形成した場合、微細金属部品は、金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域と、その上の、本来の粒径である領域との2層構造に形成される。
【0017】
また導電ペーストを、従来の接着剤と同様の使い方をした場合、基本的には通孔パターンの底に導電性基体が露出しており、この領域では、最初から金属の結晶粒の粒径が本来の粒径であるめっき被膜が成長する。しかし導電ペーストがはみ出した部分で、かかる導電ペーストからなる導電膜上に、上記と同様に金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域を生じる。
したがって製造された微細金属部品は、上記いずれの場合にも、結晶粒の粒径が本来よりも大きい領域において、所期の物理的、機械的あるいは電気的特性を発揮することができない。
【0018】
このため微細金属部品の全体として見たときに、所期の物理的、機械的あるいは電気的特性が得られないという問題を生じる。
また微細金属部品は、上記のように物理的、機械的特性が相違する部分を内包することになるため、温度変化等の外的条件の変化によって歪みを生じたり、場合によっては破損したりするおそれもある。
そこで発明者は、導電ペースト中に含ませる導電成分についてさらに検討した結果、平均粒径が400nm以下という、微細金属部品と比較しても十分に微細な金属粉末を用いればよいことを見出した。すなわち導電膜は、微細金属部品の大きさのレベルで微視的に見ても、それよりもさらに微細な金属粉末が均一に分散した状態となっているため電気的に均一である。また導電膜の表面は、上記金属粉末の大きさに対応した、微細金属部品よりも十分に小さい凹凸しか有しておらず、平滑性も高い。
【0019】
よってこの導電膜の表面に、電気めっきによってめっき被膜を成長させた際には、成膜初期の段階から、平坦な金属表面に成長させた場合と同等の、本来の粒径を有する結晶粒が生成する。
したがって前記請求項1の構成によれば、結晶粒が本来の粒径を有するため所期の物理的、機械的、電気的な特性を発揮しうる単一の構造を備えた微細金属部品を製造することができ、製造された微細金属部品は良好な特性を有するものとなる。
【0020】
請求項2記載の発明は、金属粉末を、固形分中に5〜95重量%の割合で含む導電ペーストを用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
金属粉末の含有割合が5重量%未満では、十分な導電性を有する導電膜を形成できないおそれがある。そして導電膜上に、成膜初期の段階から本来の粒径を有する結晶粒を生成することができず、良好な特性を有する微細金属部品が得られないおそれがある。
【0021】
また逆に、金属粉末の含有割合が95重量%を超えた場合には、相対的に結着剤の割合が不足して、当該結着剤による、絶縁材料からなる型を導電性基体上に接着、固定する機能が不十分になり、電気めっき時に型のずれなどを生じやすくなって、微細金属部品の形状の再現性が低下するおそれがある。
なお、前述した請求項1記載の発明の効果をより良好に発揮させるためには、金属粉末の平均粒径は、前記の範囲内でもできるだけ小さいことが望ましく、とくに200nm以下であるのが好ましい。
【0022】
したがって請求項3記載の発明は、平均粒径が200nm以下である金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
また、電気めっき時によりスムースな結晶成長を促して、さらに良好な結晶構造を有する微細金属部品を製造するためには、金属粉末を形成する金属の格子定数と、めっき被膜を形成する金属の格子定数とができるだけ近いのが望ましく、とくに両金属の格子定数の差が5%以下であるのが好ましい。
【0023】
よって請求項4記載の発明は、めっき被膜を形成する金属との格子定数の差が5%以下である金属を含む金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
上記の条件を満たす金属の組み合わせは種々存在するが、とくに好ましいのは、金属粉末を形成する金属と、めっき被膜を形成する金属として同じ金属を用いることである。これにより、両金属の格子定数の差を0%として、よりスムースな結晶成長により、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0024】
したがって請求項5記載の発明は、めっき被膜を形成する金属と同じ金属を含む金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
かかる金属の具体例としては、Ni、Fe、Co、Ag、Au、Pt、Cu、In、Ir、Re、Rh、およびPdからなる群より選ばれた1種の金属または2種以上の金属の合金があげられる。
よって請求項6記載の発明は、Ni、Fe、Co、Ag、Au、Pt、Cu、In、Ir、Re、Rh、およびPdからなる群より選ばれた1種の金属または2種以上の金属の合金によって形成された金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
【0025】
求項記載の発明は、金属イオンと還元剤とを液中で反応させることで、液中に析出させて形成した金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
【0026】
平均粒径が400nm以下である微細な金属粉末は、気相法、液相法等の種々の方法によって作製することができる。しかし上記の還元析出法によれば、個々の粒径が揃っており、粒度分布がシャープな金属粉末を形成できる。これは、還元反応が系中で均一に進行するためである。
よって請求項の構成によれば、導電膜の導電性をさらに均一にすることができるため、さらに良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0027】
請求項記載の発明は、還元剤として3価のチタン化合物を用いる請求項記載の微細金属部品の製造方法である。
還元析出法に使用する還元剤としては、種々の化合物が考えられる。しかしその中でも三塩化チタンなどの3価のチタン化合物を用いた場合には、金属粉末を析出、形成した後の溶液を、電解再生によって繰り返し、金属粉末の作製に利用可能な状態に再生できるという利点がある。
【0028】
請求項記載の発明は、Cu(I)アンミン錯イオンを含む溶液のpHを低下させることで金属Cuを超微粒子状に析出させて得たCu粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法である。
金属粉末がCu粉末である場合には、上記の方法を採用することで、より安全に、しかも高純度でかつ粒径の小さいCu粉末を作製できる。したがって請求項の構成によれば、導電膜の導電性をさらに均一にするとともに、その表面の平滑性をさらに向上することができるため、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
〈導電ペースト〉
導電膜のもとになる導電ペーストは、導電成分としての、平均粒径が400nm以下の金属粉末を、樹脂等の結着剤、および溶媒とともに所定の割合で配合して調製される。また、液状硬化性樹脂を用いて溶媒を省略してもよい。
【0030】
(金属粉末)
金属粉末としては、上記のように平均粒径が400nm以下のものを用いる。この理由は先に述べたとおりである。なお、導電膜の導電性をさらに均一にするとともに、その表面の平滑性をさらに向上することによって、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することを考慮すると、金属粉末の平均粒径は、上記の範囲内でもとくに200nm以下であるのが好ましい。また、導電ペースト中での金属粉末の凝集を防止して、導電ペースト中に金属粉末を均一に分散させることで、導電膜の均一性を維持することを考慮すると、金属粉末の平均粒径は、上記の範囲内でもとくに10nm以上であるのが好ましい。
【0031】
また金属粉末は、めっき被膜を形成する金属との格子定数の差が5%以下である金属を含んでいるのが好ましい。この理由も先に述べたとおりである。なお、さらにスムースな結晶成長を促して、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することを考慮すると、格子定数の差は3%以下であるのがさらに好ましく、その中でもとくに、前述したように金属粉末を形成する金属と、めっき被膜を形成する金属として同じ金属を用いて格子定数の差を0%とするのがより一層好ましい。
【0032】
なお結晶の単位格子の、3つの稜の長さをa、b、およびcとし、かつa軸とb軸とのなす角をγ、b軸とc軸とのなす角をα、c軸とa軸とのなす角をβとしたとき、これらa、b、c、α、β、およびγの6つを格子定数というが、本発明でいうところの格子定数の差が5%以下とは、比較する金属においてそれぞれ対応する6つの格子定数の全てにおいて、その差が5%以内であることを意味する。
【0033】
かかる条件を満たす金属粉末としては、微細金属部品において通常に使用される材料からなるものが好ましく、これも前述したようにNi、Fe、Co、Ag、Au、Pt、Cu、In、Ir、Re、Rh、およびPdからなる群より選ばれた1種の金属または2種以上の金属の合金によって形成された金属粉末を用いるのが好ましい。
また金属粉末は、先に述べたように還元析出法によって形成するのが好ましい。
【0034】
還元析出法においては、まず還元剤、例えば三塩化チタンなどの3価のチタン化合物と、例えばクエン酸三ナトリウム等とを溶解させた溶液(以下「還元剤溶液」とする)に、アンモニア水等を加えてpHを9〜10に調整する。これにより、3価のチタンイオンが錯化剤としてのクエン酸と結合して配位化合物を形成して、Ti(III)からTi(IV)に酸化する際の活性化エネルギーが低くなり、還元電位が高くなる。具体的には、Ti(III)とTi(IV)との電位差が1Vを超える。この値は、Ni(II)からNi(0)への還元電位や、Fe(II)からFe(0)への還元電位などに比べて著しく高い値である。よって、これらの金属よりも還元電位の小さい各種の金属のイオンを効率よく還元して、金属粉末を析出、形成することができる。
【0035】
次に上記の還元剤溶液に、1種または2種以上の金属のイオンを含む溶液を加える。
そうすると、Ti(III)が還元剤として機能して、自身がTi(IV)に酸化する際に、金属のイオンを還元して液中に析出させる。すなわち液中に、上記金属単体または合金からなる金属粉末が析出、形成される。
形成された金属粉末は個々の粒径が揃っており、粒度分布がシャープである。これは、還元反応が系中で均一に進行するためである。したがってかかる金属粉末によれば、導電膜の導電性をさらに均一にすることができるため、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0036】
金属粉末を析出させた後の還元剤溶液は、前記のように電解再生を行うことで、何度でも繰り返し、還元析出法による金属粉末の作製に利用することができる。すなわち、金属粉末を析出させた後の還元剤溶液を電解槽に入れるなどして電圧を印加することで、Ti(IV)をTi(III)に還元してやれば、再び電解析出用の還元剤溶液として使用することができる。これは、電解析出時にチタンイオンが殆ど消費されない、つまり析出させる金属とともに析出されないためである。チタンイオンの析出量は、金属粉末の総量の100ppm以下である。
【0037】
金属粉末がCu粉末である場合、かかるCu粉末は、Cu(I)アンミン錯イオンを含む溶液のpHを低下させることで金属Cuを超微粒子状に析出させて形成するのが好ましい。
この方法は、溶液が塩基性の状態では安定なCu(I)アンミン錯体が、溶液を酸性の状態にすると不安定化して、錯体中のCu(I)イオン(Cu1+)がCu(II)イオン(Cu2+)と金属Cu(Cu)とに不均化分解反応する結果、溶液中に金属Cuが析出することを利用したものである。
【0038】
この方法によれば、還元析出法において還元剤として用いる、危険物であるヒドラジンやヒドラジン化合物を使用せずに、より安全にCu粉末を作製できる。したがって厳重な安全管理を施した生産設備や保管設備などが不要となる。
またCu(I)アンミン錯イオンを含む溶液は、例えば硫酸Cu(II)とアンモニアと硫酸アンモニアとを含む溶液に金属Cuを加えて、無酸素条件下で反応させて作製するが、次工程で金属Cuを析出させてCu粉末を得た後のCu(II)イオンを含む溶液は、再びCu(I)アンミン錯イオンを含む溶液を作製する際の出発原料として再利用できる。つまり溶液は、ほぼ半永久的に使用できることになる。
【0039】
したがってCu粉末の製造コストを、これまでよりもさらに引き下げることが可能となる。
また上に述べたCu(I)アンミン錯イオンを含む溶液の調製工程から、金属Cuを析出させてCu粉末を作製する工程までの全工程において、リン酸塩などの、Cuと共析するおそれのある元素を含む成分を添加する必要がない。しかも不均化分解反応の条件を調整して、金属Cuの析出速度を速くすればするほど、不純物の混入量を低減することができる。
【0040】
したがって、例えばCu(I)アンミン錯イオンを含む溶液の調製に、リサイクルCuなどの、純度の低い、そして安価な金属Cuを使用しても、Cu粉末の純度を高純度に維持することが可能となる。
また上記不均化分解反応を、例えばかく拌下で行うことにより、金属Cuの析出を溶液中でほぼ均一に進行させることができるため、生成したCu粉末は、複数の粒子間で粒径がほぼ揃ったものとなる。
【0041】
しかもかく拌下で不均化分解反応を行うと、個々の粒子の、特定の部分のみに金属Cuが選択的に析出するのを防止して、粒子の成長を、全方向にわたって平均化できるため、生成したCu粉末は、その形状がほぼ球形に揃ったものとなる。
よって上記Cu粉末を用いれば、導電膜の導電性をさらに均一にするとともに、その表面の平滑性をさらに向上することができるため、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0042】
(結着剤)
金属粉末とともに導電ペーストを形成する結着剤としては、導電ペースト用の結着剤として従来公知の種々の化合物がいずれも使用可能である。かかる結着剤としては、例えば熱可塑性樹脂や硬化性樹脂、液状硬化性樹脂などが挙げられる。特に好ましくはアクリル系樹脂、フッ素系樹脂、フェノール系樹脂等が挙げられる。
【0043】
(導電ペースト)
導電ペーストは、金属粉末と結着剤とを、適当な溶媒とともに所定の割合で配合して調製される。また、前記のように液状硬化性樹脂を用いて溶媒を省略してもよい。
かかる導電ペーストによれば、前記のように平均粒径の小さい金属粉末の機能によって、これまでよりも均一な導電性を有するとともに、表面の平滑性にも優れた導電膜を形成できるため、より良好な特性を有する微細金属部品を製造することができる。
【0044】
上記各成分の配合割合は特に限定されないが、固形分、すなわち金属粉末と結着剤との総量に占める金属粉末の割合は、5〜95重量%であるのが好ましい。この理由も先に述べたとおりである。
〈電鋳型の作製〉
本発明の製造方法においては、まず図1(b)に示すように、上記の導電ペーストからなる導電膜1を介して、導電性基体2上に、微細金属部品の形状に対応した微細な通孔パターン3aを有する、絶縁材料からなる型3を固定した形状の電鋳型EMを作製する。
【0045】
その具体的な工程としては、まず図1(a)に示すように、金属板等の導電性基体2の全面に導電ペースト1′を塗布したのち、その上に、上記図1(b)に示すように型3を重ねる。そして導電ペースト1′を乾燥させ、また結着剤が硬化性樹脂である場合はこれを硬化させることで導電膜1を形成するとともに、型3を導電性基体2上に固定する。かかる工程によって作製された図の電鋳型EMは、通孔パターン3aの底の全面が、前記のように優れた特性を有する導電膜1によって覆われているため、従来の、接着剤の除去に伴う問題などを生じない。
【0046】
また図示していないが、導電ペーストを従来の接着剤と同様に使用して電鋳型EMを作製することもできる。すなわち、導電ペーストを型3の下面に塗布するなどしたのち導電性基体2上に重ね合わせた状態で導電ペーストを乾燥させ、また結着剤が硬化性樹脂である場合はこれを硬化させることで、型3を導電性基体2上に固定して電鋳型EMを作製してもよい。この場合、先に述べたように基本的には、通孔パターン3aの底に導電性基体2が露出しており、そのうちとくに通孔パターン3aの周囲の一部に、はみ出した導電ペーストからなる導電膜が形成された状態となるが、かかる導電膜は前記のように優れた特性を有するため、敢えて除去する必要がない。よってこの場合もやはり、接着剤の除去に伴う問題を生じない。
【0047】
型3は、種々の方法によって形成することができるが、とくに前記のようにX線リソグラフ法と電鋳とによって作製した親金型を用いた、射出成形あるいは反応性射出成形等によって形成するのが好ましい。
すなわちまず、X線リソグラフ法と電鋳とを利用して、図2(a)に示すように、微細金属部品のもとになる親金型IM1を形成し、それを基板IM2に固定した状態で、射出成形あるいは反応性射出成形によって、上記親金型IM1の形状に対応した、通孔パターン3aの元になる微細な凹部3bを有する型3の前駆体3′を得る〔図2(b)(c)〕。
【0048】
そしてこの前駆体3′を所定の厚み、すなわち微細金属部品の高さに相当する厚みまで研磨して凹部3bを貫通させると、図2(d)に示すように、親金型IM1の形状に対応した通孔パターン3aを有する型3が形成される。
この方法によれば、1つの親金型IM1を何回でも使用して、型3を大量に形成できるため、結果的に微細金属部品の製造コストをこれまでよりも大幅に引き下げることができる。
【0049】
また電鋳型EMの別の作製方法として、図2(c)の前駆体3′を、凹部3bを下側にして、導電ペーストを介して導電性基体2上に接着、固定したのち、微細金属部品の高さに相当する厚みまで研磨して凹部3bを貫通させる方法もある。上記いずれかの方法によって電鋳型EMを作製する際の、導電ペーストの塗布厚みは0.5〜70μmとするのが好ましい。塗布厚みが0.5μm未満では、導電ペーストによる、型3を導電性基体2上に固定する効果が十分に得られず、電気めっき時に型のずれなどを生じやすくなって、微細金属部品の形状の再現性が低下するおそれがある。また逆に70μmを超えた場合には、型3を導電性基体2上に重ねた際に、その重ねる際の応力や型3の重みなどで押し出された過剰の導電ペーストが、通孔パターン3a内に多量にはみ出して波うったり液滴状に盛り上がったりする結果、めっき開始面が異形となって均一な結晶構造を有するめっき被膜を形成できなくなったり、導電ペーストが盛り上がった分、めっき被膜が薄くなって、所定の厚みを有する微細金属部品を製造できなくなったりするおそれがある。
【0050】
導電性基体2としては、例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅などの金属系または合金系の基体や、あるいはSi、ガラス、セラミックス、プラスチックなどの非導電性の基体上に、スパッタリング法等によって導電層を積層形成した複合体などがあげられる。また上記金属系や合金系の基体上に、さらに必要に応じて、スパッタリング法等によって、別種の金属からなる導電層を積層形成することもできる。
【0051】
型3を形成する絶縁材料としては、前記のように射出成形、反応性射出成形などが可能な樹脂が好適に使用される。かかる樹脂としては、例えばポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート、エポキシ樹脂などがあげられる。
〈微細金属部品の製造〉
次に、上記いずれかの方法で作製した電鋳型EMの、図1(b)に示すように通孔パターン3aの部分で露出させた導電膜1の表面、もしくは図示していないが、通孔パターン3aの部分で露出させた導電性基体2の表面と、そこにはみ出した導電ペーストからなる導電膜1の表面に、これらの部分を電極とする電気めっきによって選択的にめっき被膜を成長させる。すなわち導電膜1や導電性基体2を陰極とし、めっきしようとする金属または白金などを陽極として、電気めっき浴中に浸漬して電圧をかけてめっき被膜を成長させることで、前記のようにその全体にわたって均一な結晶構造を有する、通孔パターン3aの形状に対応した微細金属部品4を形成する〔図1(c)〕。
【0052】
次に、形成した微細金属部品4の先端面を研磨もしくは研削などして所定の高さに揃えた後、型3を除去する〔図1(d)〕。型3を除去する方法としては、微細金属部品4に無理な応力を加えて変形させたりしないために、例えば酸素プラズマを用いたアッシングや、あるいはX線、紫外線の照射による分解などの、非接触で行える方法が好ましい。
そして最後に、導電膜1と導電性基体2とを除去すると微細金属部品が完成する〔図1(e)〕。
【0053】
導電膜1と導電性基体2とを除去する方法としては、導電膜1を、適当な溶媒を用いて溶解するか、またはドライエッチングなどして分解除去する方法が好ましい。これにより導電膜1を消滅させたのち、残った導電性基体2を取り去ればよい。
以上のように本発明の製造方法によれば、これに限定されないが、例えばコーナーエッジが鋭く、かつ高さ方向の垂直性に優れた、幅が数μm〜数百μmで、かつ高さが数百μm超というアスペクト比の高い微細金属部品などを再現性良く、しかもより少ない工程で安価かつ大量に製造することができる。また、とくに高さ方向と直交する面方向に複雑な形状を有する微細金属部品を一体形成できるので、微細部品の組立作業などが不要になるという利点もある。
【0054】
【実施例】
以下に本発明を、実施例、比較例に基づいて説明する。
実施例1
〈導電ペーストの調製〉
金属粉末としては、平均粒径が200nmであるAg粉末を用いた。
そしてこのAg粉末15重量部と、結着剤としての液状のエポキシ樹脂85重量部とを混合して導電ペーストを調製した。
【0055】
〈電鋳型の作製〉
X線リソグラフ法と電鋳とによって作製した、幅50μm、高さ100μmの、微細金属部品のもとになるNi製の親金型IM1を、ステンレス鋼製の基板IM2上に、エポキシ樹脂系接着剤を用いて貼り付けたものを使用して、反応性射出成形を含む、前記図2(a)〜(d)の工程により、上記親金型IM1の形状に対応した通孔パターン3aを有するポリメチルメタクリレート製の型3を形成した。
【0056】
導電性基体2としてのステンレス鋼板の、片面の全面に、ロールコータを用いて、前記導電ペースト1′を塗布した後、型3を重ねた。そして100℃で4時間、加熱して導電ペースト1′中のエポキシ樹脂を硬化させることで導電膜1を形成するとともに、型3を導電性基体2上に固定して、図1(b)に示す電鋳型を作製した。導電ペースト1′の塗布厚みは5μmとした。
〈微細金属部品の製造〉
上記電鋳型の導電性基体2に導電端子を取り付けて給電部とし、下記処方のニッケルめっき浴に浸漬して、電流密度50mA/cm2、液温50℃の条件で電気めっきを行った。
【0057】
ニッケルめっき浴(pH4.0)
(成 分) (濃 度)
スルファミン酸ニッケル 450g/L
ほう酸 30g/L
上記電気めっきを4時間行ったところ、電鋳型の通孔パターン3aがニッケル被膜で埋められたので、電鋳型をめっき浴から取り出して十分に水洗した後、ニッケル被膜の先端面を研磨して所定の高さに揃えた。そして酸素プラズマによってアッシングして型3を分解除去した後、ウエットエッチングによって導電膜1を溶解、除去して導電性基体2を取り去って、前記親金型IM1の形状に対応した、幅50μm、高さ50μmの微細金属部品4を製造した。
【0058】
得られた微細金属部品の断面を金属顕微鏡で観察して、厚み方向の上下それぞれ5%の位置の、結晶粒の大きさを測定した。そして導電膜側の結晶粒の大きさφ1と被膜表面側の結晶粒の大きさφ2とから、式(1):
Rφ=φ1/φ2 (1)
により、結晶粒の大きさの比率Rφを求めたところ1.1であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、微細金属部品は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
【0059】
また微細金属部品の、導電膜1側の面の硬度を、マイクロビッカース硬度計〔(株)明石製作所製のMVK−ELS〕を用いて、日本工業規格JIS Z2251に規定された微小硬さ試験法に則って測定したところ220Hvであって、めっき初期の段階から、ニッケル本来の硬さを有するめっき被膜が形成されていたことが確認された。
そしてこれらのことから、コーナーエッジが鋭く、かつ高さ方向の垂直性に優れたアスペクト比の高い微細金属部品などを再現性良く、しかもより少ない工程で安価かつ大量に製造できることが確認された。
【0060】
実施例2
〈Cu粉末の形成〉
硫酸銅(II)と、アンモニアと、硫酸アンモニウムとを純水に加えて、各成分が下記の濃度で含まれた溶液を調製した。
(成 分) (濃 度)
硫酸銅(II) 0.5M
アンモニア 5.0M
硫酸アンモニウム 1.0M
次にこの溶液1リットルに、過剰量(約10g)の銅線(直径2mm)を浸漬し、窒素バブリングして溶存酸素を除去した。
【0061】
次にこの溶液を、酸素が混入しないように気密性の高い容器内でかく拌しながら25℃で24時間、反応させて、Cu(I)アンミン錯イオンを含む溶液を製造した。
次にこの溶液の液温を25℃に維持してかく拌しつつ、20%硫酸溶液100ミリリットルを加えて不均化分解反応させて、溶液中に金属銅を析出させることで、Cu粉末を生成させた。この際、溶液のpHの、単位時間あたりの低下速度ΔpH/秒は0.25とした。
【0062】
次に、生成したCu粉末を溶液からロ別し、純水で洗浄後、乾燥した。
得られたCu粉末の粒径と粒子形状を、走査型電子顕微鏡によって観察したところ、その粒径がほぼ揃っているとともに、粒子形状も球形にほぼ揃っていることが確認された。また写真に写ったCu粉末の平均粒径を測定したところ30nmであった。
また得られたCu粉末の純度をICP質量分析法によって測定したところ99.96%であった。
【0063】
〈導電ペーストの調製〉
金属粉末として、上記で形成したCu粉末を同量、使用したこと以外は実施例1と同様にして導電ペーストを調製した。
〈電鋳型の作製および微細金属部品の製造〉
上記の導電ペーストを使用したこと以外は実施例1と同様にして、同形状の電鋳型を作製し、この電鋳型を使用したこと以外は実施例1と同条件で、同形状の微細金属部品を製造した。
【0064】
得られた微細金属部品の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Rφを求めたところ1.2であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、微細金属部品は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
また微細金属部品の、導電膜1側の面の硬度を、前記マイクロビッカース硬度計を用いて、日本工業規格JIS Z2251に規定された微小硬さ試験法に則って測定したところ220Hvであって、めっき初期の段階から、ニッケル本来の硬さを有するめっき被膜が形成されていたことが確認された。
【0065】
比較例1
金属粉末として、平均粒径が2μmであるAg粉末を同量、使用したこと以外は実施例1と同様にして導電ペーストを調製した。
〈電鋳型の作製および微細金属部品の製造〉
上記の導電ペーストを使用したこと以外は実施例1と同様にして、同形状の電鋳型を作製し、この電鋳型を使用したこと以外は実施例1と同条件で、同形状の微細金属部品を製造した。
【0066】
得られた微細金属部品の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Rφを求めたところ2.0であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、微細金属部品は、金属の結晶粒の大きい領域と小さい領域の2層構造を有することが確認された。
また微細金属部品の、導電膜1側の面の硬度を、前記マイクロビッカース硬度計を用いて、日本工業規格JIS Z2251に規定された微小硬さ試験法に則って測定したところ170Hvであって、めっき初期の段階では、ニッケル本来の硬さを有するめっき被膜が形成されていなかったことが確認された。
【0067】
以上の結果を表1にまとめた。
【0068】
【表1】

Figure 0003952743

【図面の簡単な説明】
【図1】同図(a)〜(e)は、それぞれ本発明の製造方法によって微細金属部品を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図2】同図(a)〜(d)は、微細金属部品の親金型から、上記製造工程に使用する型を形成する工程の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 導電膜
1′ 導電ペースト
2 導電性基体
3 型
3a 通孔パターン
4 微細金属部品
EM 電鋳型[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a fine metal part having a predetermined three-dimensional shape.
[0002]
[Prior art]
Recently, metal parts having a fine three-dimensional shape with a thickness of over 100 μm and submicron accuracy have been put into practical use as functional parts for semiconductor chips such as LSIs or parts for micromachines. It's getting on.
A direct LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) method is useful as a method for producing such fine metal parts.
[0003]
In this direct LIGA method, for example, a fine metal part having a high aspect ratio (height / width) can be manufactured or processed with a precision in the micron region, and a fine metal part having a height of several hundred μm can be manufactured. Can be easily manufactured, and is expected to be applied in a wide range of fields.
In order to manufacture a fine metal part by the direct LIGA method, first, a photosensitive resist structure is formed on a conductive substrate. The thickness of the resist structure is set to the height of the fine metal part to be manufactured.
[0004]
Next, the resist structure is irradiated with X-rays such as SR (Synchrotron Radiation) light through a mask having a predetermined pattern, and then developed using a resist-dedicated developer to form a resist structure. Then, a fine hole pattern reaching the surface of the conductive substrate corresponding to the shape of the fine metal part is formed.
Then, by selectively growing a plating film on the conductive substrate exposed at the portion of the through hole pattern by electroplating using the conductive substrate as an electrode, a fine metal component corresponding to the shape of the through hole pattern can be obtained. After the formation, the resist structure and the conductive substrate are removed to obtain a fine metal part.
[0005]
However, as described above, the direct LIGA method has a very high accuracy but is expensive to manufacture. The resist structure in which a through-hole pattern is formed by X-ray irradiation is used only once for the production of fine metal parts. Can not do it. For this reason, there is a limit to mass production of fine metal parts, and there is a problem that the manufacturing cost of individual fine metal parts is high. For example, when a wafer having a diameter of 4 inches is used as the conductive substrate, the number of fine metal parts that can be manufactured at one time is about several tens to several thousand.
[0006]
Although it is conceivable to use ultraviolet rays that are cheaper to irradiate than X-rays, ultraviolet rays have a longer wavelength than X-rays and are not directional. The edge portion of the hole pattern is rounded or light is diffused in the depth direction, so that the shape of the through hole pattern is easily deformed. For this reason, there exists a problem that the precision of the shape of a fine metal component falls.
In addition, although the wavelength of the electron beam is shorter than that of ultraviolet rays, the electron beam has a large interaction with the material forming the resist structure, and therefore cannot penetrate deeply in the thickness direction of the resist structure. For this reason, there is a limit to the thickness of the resist structure that can form a through-hole pattern, and the electron beam is not suitable for manufacturing a fine metal part having a particularly high aspect ratio.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As a manufacturing method of fine metal parts instead of the direct LIGA method, the shape of the fine metal parts is formed by injection molding or reactive injection molding using a fine mold (parent mold) that is the basis of the fine metal parts. There is a method of manufacturing a fine metal part in the same manner as the direct LIGA method after forming a resin die having a corresponding fine hole pattern and then bonding the die to the surface of a conductive substrate. .
[0008]
In this method, for example, a resist mold is formed by forming a fine pattern by X-ray irradiation and development after irradiation (hereinafter referred to as “X-ray lithographic method”) and electroforming the fine pattern. By producing a large number of resin molds from one parent mold while maintaining high accuracy by the X-ray lithographic method, a larger amount of fine metal parts than before, And it becomes possible to manufacture at low cost.
[0009]
The resin mold needs to be fixed to the surface of the conductive substrate using an adhesive so as not to be displaced during electroplating.
However, the adhesive easily protrudes into the part of the through-hole pattern of the mold at the time of bonding, and if it is left as it is, it prevents the growth of the plating film during electroplating and cannot form a fine metal part having a predetermined shape. Cause.
Therefore, in order to remove the protruding adhesive, it is conceivable that the inside of the through-hole pattern before electroplating is washed with a solvent (wet etching) or dry-etched. The mold is likely to be damaged, and the shape of the through-hole pattern is likely to be deformed, particularly when the edge of the through-hole pattern is rounded or the side wall of the through-hole pattern is scraped off. For this reason, there exists a problem that the reproducibility of the shape of a fine metal component falls.
[0010]
The object of the present invention is to produce a fine metal part having a high aspect ratio with a sharp corner edge and excellent verticality in the height direction with good reproducibility and in a low cost and in a large number of steps. The object is to provide a method of manufacturing a fine metal part.
[0011]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
The invention according to claim 1 is a fine metal powder having an average particle size of 400 nm or less. (Excluding chain-like ones) An electroforming mold in which a mold made of an insulating material having a fine through hole pattern corresponding to the shape of a fine metal part is fixed on a conductive substrate through a conductive film made of a conductive paste containing as a conductive component And a plating film selectively formed on the surface of the conductive film exposed at the hole pattern portion of the electroforming mold or on the surface of the conductive substrate and the conductive film by electroplating using these portions as electrodes. And a step of forming a fine metal part corresponding to the shape of the through-hole pattern.
[0012]
In order to solve the above-mentioned problem, the inventor examined using a conductive paste using metal powder as a conductive component instead of an adhesive. That is, with the resin mold fixed on a conductive substrate through a conductive film made of a conductive paste, the surface of the conductive film exposed at the hole pattern portion of the mold or the conductive paste is bonded to the conventional adhesive. A plating film is selectively formed by electroplating using these portions as electrodes on the surface of a conductive substrate made of conductive paste that is exposed at the portion of the through-hole pattern using the same as the agent and the conductive paste that protrudes there. It was thought that various problems associated with the protrusion and removal of the adhesive could be solved by growing the adhesive.
[0013]
However, when a conventional conductive paste is used in this method, the grain size of the metal crystal grains in the formed fine metal part changes discontinuously in the whole or part of the thickness direction. Therefore, it has been found that a fine metal part having a uniform crystal structure throughout and having good characteristics cannot be manufactured.
Further investigation of the cause revealed the following facts.
That is, the conventional conductive paste contains a metal powder having an average particle diameter of 1 μm or more as a conductive component, which is not so small as compared with a fine metal part.
[0014]
For this reason, when the surface of a conductive film formed using a conventional conductive paste is viewed microscopically at the level of the size of a fine metal part, the conductive part from which the metal powder is exposed and the insulating part between them are metal. According to the size of the powder, it is distributed in irregular spots, which is not electrically uniform.
Moreover, when the surface of the conductive film is similarly microscopically seen from the level of the size of the fine metal part, it has irregularities corresponding to the size of the metal powder and not so small compared to the size of the fine metal part. It is not flat.
[0015]
The crystal structure of the plating film formed by electroplating is easily affected by the base, and as described above, the surface of the plating film is not electrically uniform, and the growth is particularly difficult when the plating film is grown on a non-flat conductive film. The grain size of crystal grains generated at the initial stage of the film tends to be considerably larger than the original grain size obtained when, for example, a plating film is grown on a flat metal surface.
Then, when the growth of the film progresses and the surface approaches the flat metal surface, the crystal grains having the original grain size equivalent to the case of growing on the flat metal surface are generated, and then The film grows with this particle size.
[0016]
For this reason, the plating film grown on the conductive film does not have a uniform crystal structure throughout the thickness direction, and has a distribution in which the grain size of the metal crystal grains changes discontinuously in the thickness direction. It will be a thing.
Specifically, for example, when the conductive film is formed over the entire bottom surface of the through hole pattern on the conductive substrate, the fine metal part has a region in which the crystal grain size of the metal is larger than the original grain size. And a two-layer structure with a region having an original particle size on the top.
[0017]
In addition, when the conductive paste is used in the same manner as a conventional adhesive, the conductive substrate is basically exposed at the bottom of the through hole pattern, and in this region, the grain size of the metal crystal grains is from the beginning. A plated coating having an original particle size grows. However, in the portion where the conductive paste protrudes, on the conductive film made of the conductive paste, a region where the crystal grain size of the metal is larger than the original particle size is generated as described above.
Therefore, in any of the above cases, the manufactured fine metal part cannot exhibit the intended physical, mechanical, or electrical characteristics in the region where the grain size of the crystal grains is larger than the original.
[0018]
For this reason, when the fine metal part is viewed as a whole, there arises a problem that desired physical, mechanical or electrical characteristics cannot be obtained.
In addition, since the fine metal parts contain the parts with different physical and mechanical properties as described above, they may be distorted or damaged in some cases due to changes in external conditions such as temperature changes. There is also a fear.
Therefore, the inventor further examined the conductive component included in the conductive paste, and as a result, the average particle size was 400nm or less It has been found that a sufficiently fine metal powder may be used as compared with a fine metal part. That is, the conductive film is electrically uniform even when viewed microscopically at the level of the size of the fine metal part because the fine metal powder is evenly dispersed. Further, the surface of the conductive film has only unevenness sufficiently smaller than the fine metal part corresponding to the size of the metal powder, and has high smoothness.
[0019]
Therefore, when a plating film is grown on the surface of the conductive film by electroplating, crystal grains having an original grain size equivalent to those grown on a flat metal surface from the initial stage of film formation are obtained. Generate.
Therefore, according to the structure of claim 1, a fine metal part having a single structure capable of exhibiting desired physical, mechanical, and electrical characteristics because the crystal grains have an original grain size is manufactured. The manufactured fine metal part has good characteristics.
[0020]
Invention of Claim 2 is a manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the electrically conductive paste which contains a metal powder in the ratio of 5-95 weight% in solid content.
If the content ratio of the metal powder is less than 5% by weight, a conductive film having sufficient conductivity may not be formed. Then, crystal grains having an original grain size cannot be generated from the initial stage of film formation on the conductive film, and there is a possibility that a fine metal part having good characteristics cannot be obtained.
[0021]
Conversely, when the content ratio of the metal powder exceeds 95% by weight, the ratio of the binder is relatively insufficient, and the mold made of the insulating material by the binder is placed on the conductive substrate. The function of bonding and fixing becomes insufficient, and it is likely to cause mold displacement during electroplating, which may reduce the reproducibility of the shape of the fine metal part.
In order to achieve the effect of the invention according to claim 1 better, it is desirable that the average particle size of the metal powder is as small as possible even within the above range. 200nm It is preferable that:
[0022]
Therefore, the invention according to claim 3 has an average particle size of 200nm It is a manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the metal powder which is the following.
In addition, in order to promote smoother crystal growth during electroplating and to manufacture fine metal parts having a better crystal structure, the metal lattice constant forming the metal powder and the metal lattice forming the plating film are used. It is desirable that the constant is as close as possible, and it is particularly preferable that the difference in lattice constant between the two metals is 5% or less.
[0023]
Therefore, the invention according to claim 4 is the method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein a metal powder containing a metal having a lattice constant difference of 5% or less from the metal forming the plating film is used.
Although there are various combinations of metals that satisfy the above conditions, it is particularly preferable to use the same metal as the metal that forms the metal powder and the metal that forms the plating film. Thereby, the difference in the lattice constant between the two metals is set to 0%, and a fine metal part having better characteristics can be manufactured by smoother crystal growth.
[0024]
Therefore, the invention according to claim 5 is the method for producing a fine metal part according to claim 1 using metal powder containing the same metal as the metal forming the plating film.
Specific examples of such metals include one metal selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, Ag, Au, Pt, Cu, In, Ir, Re, Rh, and Pd, or two or more metals. Alloy.
Therefore, the invention according to claim 6 is the one metal selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, Ag, Au, Pt, Cu, In, Ir, Re, Rh, and Pd, or two or more metals. 2. The method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein a metal powder formed of the alloy is used.
[0025]
Contract Claim 7 The invention described in the above is the method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein the metal powder is formed by reacting a metal ion and a reducing agent in the liquid to precipitate in the liquid.
[0026]
Average particle size 400nm or less The fine metal powder can be produced by various methods such as a gas phase method and a liquid phase method. However, according to the above reduction precipitation method, it is possible to form a metal powder having a uniform particle size and a sharp particle size distribution. This is because the reduction reaction proceeds uniformly in the system.
So claims 7 According to the configuration, since the conductivity of the conductive film can be made more uniform, a fine metal part having even better characteristics can be manufactured.
[0027]
Claim 8 The invention described in claim 3 uses a trivalent titanium compound as a reducing agent. 7 It is a manufacturing method of the described fine metal component.
Various compounds can be considered as the reducing agent used in the reduction precipitation method. However, among these, when a trivalent titanium compound such as titanium trichloride is used, the solution after the metal powder is deposited and formed can be regenerated to a state usable for the production of the metal powder by repeating the electrolytic regeneration. There are advantages.
[0028]
Claim 9 The invention according to claim 1 is a method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein Cu powder obtained by precipitating metal Cu into ultrafine particles by lowering the pH of a solution containing Cu (I) ammine complex ions is used. is there.
In the case where the metal powder is Cu powder, by adopting the above method, Cu powder having higher purity and smaller particle diameter can be produced more safely. Claims 9 According to the configuration, the conductivity of the conductive film can be made more uniform, and the smoothness of the surface can be further improved, so that a fine metal part having better characteristics can be manufactured.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described below.
<Conductive paste>
The conductive paste that forms the conductive film has an average particle size as a conductive component. 400nm or less These metal powders are blended at a predetermined ratio together with a binder such as a resin and a solvent. Also ,liquid Atherosclerotic tree Fat The solvent may be omitted.
[0030]
(Metal powder)
As described above, the average particle size of the metal powder 4 A thing of 00 nm or less is used. The reason for this is as described above. In addition, considering the production of fine metal parts having better characteristics by making the conductivity of the conductive film more uniform and further improving the smoothness of the surface, the average particle size of the metal powder is Even within the above range, the thickness is particularly preferably 200 nm or less. In addition, in consideration of maintaining the uniformity of the conductive film by preventing aggregation of the metal powder in the conductive paste and uniformly dispersing the metal powder in the conductive paste, the average particle size of the metal powder is Even within the above range, it is particularly preferably 10 nm or more.
[0031]
The metal powder preferably contains a metal having a lattice constant difference of 5% or less from the metal forming the plating film. The reason for this is as described above. In addition, considering the production of fine metal parts having better characteristics by promoting smooth crystal growth, the difference in lattice constant is more preferably 3% or less. More preferably, the difference in lattice constant is set to 0% by using the same metal as the metal forming the metal powder and the metal forming the plating film.
[0032]
Note that the lengths of the three edges of the crystal unit cell are a, b, and c, and the angle between the a axis and the b axis is γ, and the angle between the b axis and the c axis is α, c axis When the angle formed with the a-axis is β, the six of a, b, c, α, β, and γ are called lattice constants. The difference in lattice constants in the present invention is 5% or less. This means that the difference is within 5% in all the six lattice constants corresponding to the metals to be compared.
[0033]
The metal powder satisfying such conditions is preferably made of a material usually used in fine metal parts, and as described above, Ni, Fe, Co, Ag, Au, Pt, Cu, In, Ir, Re It is preferable to use a metal powder formed from one metal selected from the group consisting of Rh, and Pd, or an alloy of two or more metals.
The metal powder is preferably formed by the reduction precipitation method as described above.
[0034]
In the reduction precipitation method, first, a reducing agent, for example, a trivalent titanium compound such as titanium trichloride and a solution in which, for example, trisodium citrate is dissolved (hereinafter referred to as “reducing agent solution”), ammonia water or the like. To adjust the pH to 9-10. As a result, trivalent titanium ions are combined with citric acid as a complexing agent to form a coordination compound, and the activation energy when oxidized from Ti (III) to Ti (IV) is reduced. The potential increases. Specifically, the potential difference between Ti (III) and Ti (IV) exceeds 1V. This value is significantly higher than the reduction potential from Ni (II) to Ni (0), the reduction potential from Fe (II) to Fe (0), and the like. Therefore, various metal ions having a reduction potential lower than that of these metals can be efficiently reduced to deposit and form metal powder.
[0035]
Next, a solution containing one or more metal ions is added to the reducing agent solution.
Then, when Ti (III) functions as a reducing agent and oxidizes itself to Ti (IV), metal ions are reduced and deposited in the liquid. That is, a metal powder made of the metal simple substance or alloy is deposited and formed in the liquid.
The formed metal powder has a uniform particle size and a sharp particle size distribution. This is because the reduction reaction proceeds uniformly in the system. Therefore, according to such a metal powder, the conductivity of the conductive film can be made more uniform, so that a fine metal part having better characteristics can be manufactured.
[0036]
The reducing agent solution after depositing the metal powder can be used for the production of the metal powder by the reduction deposition method by repeating the electrolytic regeneration as described above and repeatedly. That is, by reducing the Ti (IV) to Ti (III) by applying a voltage, for example, by putting the reducing agent solution after depositing the metal powder into an electrolytic cell, the reducing agent for electrolytic deposition again. Can be used as a solution. This is because titanium ions are hardly consumed during electrolytic deposition, that is, they are not deposited together with the metal to be deposited. The amount of titanium ions deposited is 100 ppm or less of the total amount of the metal powder.
[0037]
When the metal powder is Cu powder, such Cu powder is preferably formed by lowering the pH of a solution containing Cu (I) ammine complex ions to precipitate metal Cu into ultrafine particles.
In this method, a Cu (I) ammine complex that is stable when the solution is in a basic state is destabilized when the solution is in an acidic state, and Cu (I) ions (Cu 1+ ) Cu (II) ion (Cu 2+ ) And metal Cu (Cu) are used as a result of disproportionation decomposition reaction, and metal Cu is precipitated in the solution.
[0038]
According to this method, Cu powder can be produced more safely without using hydrazine or a hydrazine compound, which is a dangerous substance, used as a reducing agent in the reduction precipitation method. Therefore, production facilities and storage facilities with strict safety management are not required.
The solution containing Cu (I) ammine complex ions is prepared by adding metal Cu to a solution containing Cu (II) sulfate, ammonia and ammonia sulfate, for example, and reacting them under oxygen-free conditions. The solution containing Cu (II) ions after depositing metal Cu to obtain Cu powder can be reused as a starting material when preparing a solution containing Cu (I) ammine complex ions again. That is, the solution can be used almost semipermanently.
[0039]
Therefore, the production cost of Cu powder can be further reduced than before.
Moreover, in all the processes from the preparation process of the solution containing the Cu (I) ammine complex ion described above to the process of depositing Cu metal to produce Cu powder, there is a risk of eutectoid with Cu such as phosphate. It is not necessary to add a component containing certain elements. In addition, as the disproportionation decomposition reaction conditions are adjusted to increase the deposition rate of metal Cu, the amount of impurities mixed in can be reduced.
[0040]
Therefore, the purity of Cu powder can be maintained at a high purity even when a low-purity and inexpensive metal Cu such as recycled Cu is used for preparing a solution containing, for example, a Cu (I) ammine complex ion. It becomes.
In addition, by performing the above disproportionation decomposition reaction under stirring, for example, the precipitation of metal Cu can be progressed almost uniformly in the solution, so that the generated Cu powder has a particle size between a plurality of particles. It will be almost complete.
[0041]
Moreover, when the disproportionation decomposition reaction is carried out under stirring, it is possible to prevent the metal Cu from selectively precipitating only in specific parts of the individual particles and to average the growth of the particles in all directions. The produced Cu powder has a substantially spherical shape.
Therefore, when the Cu powder is used, the conductivity of the conductive film can be made more uniform, and the smoothness of the surface can be further improved, so that a fine metal part having better characteristics can be manufactured.
[0042]
(Binder)
As the binder for forming the conductive paste together with the metal powder, any of various conventionally known compounds can be used as the binder for the conductive paste. Examples of such a binder include thermoplastic resins, curable resins, and liquid curable resins. Particularly preferred are acrylic resins, fluorine resins, phenol resins and the like.
[0043]
(Conductive paste)
The conductive paste is prepared by blending a metal powder and a binder together with an appropriate solvent at a predetermined ratio. Also, as mentioned above, liquid curable resin Fat The solvent may be omitted.
According to such a conductive paste, the function of the metal powder having a small average particle diameter as described above can form a conductive film having more uniform conductivity than before and having excellent surface smoothness. Fine metal parts having good characteristics can be produced.
[0044]
The blending ratio of each component is not particularly limited, but the solid content, that is, the ratio of the metal powder in the total amount of the metal powder and the binder is preferably 5 to 95% by weight. The reason for this is as described above.
<Production of electroforming mold>
In the manufacturing method of the present invention, as shown in FIG. 1 (b), first, through a conductive film 1 made of the above-described conductive paste, a fine passage corresponding to the shape of a fine metal part is formed on a conductive substrate 2. An electroforming mold EM having a hole pattern 3a and having a shape fixed with a mold 3 made of an insulating material is produced.
[0045]
As a specific process, first, as shown in FIG. 1 (a), a conductive paste 1 'is applied to the entire surface of a conductive substrate 2 such as a metal plate, and then, as shown in FIG. 1 (b). Overlay mold 3 as shown. Then, the conductive paste 1 ′ is dried, and when the binder is a curable resin, the conductive paste 1 ′ is cured to form the conductive film 1, and the mold 3 is fixed on the conductive substrate 2. In the electroforming mold EM shown in the figure produced by such a process, the entire bottom surface of the through-hole pattern 3a is covered with the conductive film 1 having excellent characteristics as described above. There are no problems involved.
[0046]
Although not shown, the electroforming mold EM can also be manufactured using a conductive paste in the same manner as a conventional adhesive. That is, after the conductive paste is applied to the lower surface of the mold 3 and then superimposed on the conductive substrate 2, the conductive paste is dried, and when the binder is a curable resin, it is cured. The mold 3 may be fixed on the conductive substrate 2 to produce the electroforming mold EM. In this case, as described above, basically, the conductive substrate 2 is exposed at the bottom of the through-hole pattern 3a, and the conductive substrate 2 is particularly formed in a part around the through-hole pattern 3a. Although the conductive film is formed, the conductive film has excellent characteristics as described above, and thus does not need to be removed. Therefore, in this case as well, there is no problem associated with the removal of the adhesive.
[0047]
The mold 3 can be formed by various methods. In particular, the mold 3 is formed by injection molding or reactive injection molding using the parent mold prepared by the X-ray lithography method and electroforming as described above. Is preferred.
That is, first, using X-ray lithographic method and electroforming, as shown in FIG. 2 (a), a parent mold IM1 as a base of a fine metal part is formed and fixed to the substrate IM2. Thus, by the injection molding or the reactive injection molding, the precursor 3 ′ of the mold 3 having the fine concave portions 3b corresponding to the shape of the parent mold IM1 and having the through-hole pattern 3a is obtained [FIG. ) (c)].
[0048]
Then, when this precursor 3 'is polished to a predetermined thickness, that is, a thickness corresponding to the height of the fine metal part and penetrated through the recess 3b, the shape of the parent mold IM1 is obtained as shown in FIG. A mold 3 having a corresponding hole pattern 3a is formed.
According to this method, a large amount of the mold 3 can be formed by using the single parent mold IM1 any number of times, and as a result, the manufacturing cost of the fine metal parts can be greatly reduced as compared with the past.
[0049]
As another method for producing the electroforming mold EM, the precursor 3 'shown in FIG. 2 (c) is bonded and fixed on the conductive substrate 2 via a conductive paste with the concave portion 3b on the lower side, and then a fine metal. There is also a method of passing through the recess 3b by polishing to a thickness corresponding to the height of the component. When the electroforming mold EM is manufactured by any one of the above methods, the coating thickness of the conductive paste is preferably 0.5 to 70 μm. If the coating thickness is less than 0.5 μm, the effect of fixing the mold 3 on the conductive substrate 2 by the conductive paste cannot be sufficiently obtained, and the mold is liable to be displaced at the time of electroplating. The reproducibility of the image may be reduced. On the other hand, when the thickness exceeds 70 μm, when the mold 3 is overlaid on the conductive substrate 2, the excessive conductive paste pushed out by the stress at the time of stacking, the weight of the mold 3, etc. As a result, the plating start surface is deformed and a plating film having a uniform crystal structure cannot be formed, or the conductive paste swells, resulting in the plating film being swelled. There is a possibility that it becomes thin and it becomes impossible to manufacture a fine metal part having a predetermined thickness.
[0050]
As the conductive substrate 2, a conductive layer is formed by sputtering or the like on a metal or alloy substrate such as stainless steel, aluminum or copper, or a non-conductive substrate such as Si, glass, ceramics or plastic. Examples include composites formed by stacking. In addition, a conductive layer made of a different kind of metal can be formed on the metal or alloy base by sputtering or the like, if necessary.
[0051]
As the insulating material for forming the mold 3, a resin capable of injection molding, reactive injection molding, or the like as described above is preferably used. Examples of such a resin include polymethyl methacrylate, polypropylene, polycarbonate, and epoxy resin.
<Manufacture of fine metal parts>
Next, the surface of the conductive film 1 exposed at the portion of the through hole pattern 3a as shown in FIG. 1B of the electroforming mold EM manufactured by any of the above methods, or though not shown, the through hole A plating film is selectively grown on the surface of the conductive substrate 2 exposed at the pattern 3a and the surface of the conductive film 1 made of a conductive paste protruding from the pattern 3a by electroplating using these portions as electrodes. That is, the conductive film 1 or the conductive substrate 2 is used as a cathode, the metal to be plated or platinum or the like is used as an anode, and the plating film is grown by applying a voltage by immersing it in an electroplating bath. A fine metal part 4 having a uniform crystal structure throughout and corresponding to the shape of the through-hole pattern 3a is formed [FIG. 1 (c)].
[0052]
Next, after the front end surface of the formed fine metal component 4 is polished or ground to a predetermined height, the mold 3 is removed [FIG. 1 (d)]. As a method for removing the mold 3, in order not to deform the fine metal part 4 by applying excessive stress, non-contact such as ashing using oxygen plasma or decomposition by irradiation with X-rays or ultraviolet rays is used. The method which can be performed by is preferable.
Finally, when the conductive film 1 and the conductive substrate 2 are removed, a fine metal part is completed [FIG. 1 (e)].
[0053]
As a method of removing the conductive film 1 and the conductive substrate 2, a method of dissolving the conductive film 1 using an appropriate solvent or decomposing and removing it by dry etching or the like is preferable. Thus, after the conductive film 1 is extinguished, the remaining conductive substrate 2 may be removed.
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, although not limited to this, for example, the corner edge is sharp and the vertical direction in the height direction is excellent, the width is several μm to several hundred μm, and the height is Fine metal parts having a high aspect ratio of more than several hundred μm can be manufactured with good reproducibility and at low cost and in large quantities with fewer processes. In addition, since fine metal parts having complicated shapes can be integrally formed, particularly in a plane direction perpendicular to the height direction, there is an advantage that an assembling work of fine parts is not required.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples and comparative examples.
Example 1
<Preparation of conductive paste>
As the metal powder, Ag powder having an average particle diameter of 200 nm was used.
Then, 15 parts by weight of this Ag powder and 85 parts by weight of a liquid epoxy resin as a binder were mixed to prepare a conductive paste.
[0055]
<Production of electroforming mold>
An Ni-based mold IM1 that is a 50 μm wide and 100 μm high fine metal part produced by X-ray lithography and electroforming is bonded to a stainless steel substrate IM2 with an epoxy resin. By using the one pasted with the agent, the through-hole pattern 3a corresponding to the shape of the parent mold IM1 is obtained by the steps of FIGS. 2 (a) to (d) including the reactive injection molding. A mold 3 made of polymethylmethacrylate was formed.
[0056]
The conductive paste 1 ′ was applied to the entire surface of one side of a stainless steel plate as the conductive substrate 2 using a roll coater, and then the mold 3 was stacked. Then, by heating at 100 ° C. for 4 hours to cure the epoxy resin in the conductive paste 1 ′, the conductive film 1 is formed, and the mold 3 is fixed on the conductive substrate 2, and FIG. The electromold shown was made. The coating thickness of the conductive paste 1 ′ was 5 μm.
<Manufacture of fine metal parts>
A conductive terminal is attached to the electroconductive substrate 2 of the electroforming mold to form a power feeding part, which is immersed in a nickel plating bath having the following formulation, and a current density of 50 mA / cm. 2 Then, electroplating was performed at a liquid temperature of 50 ° C.
[0057]
Nickel plating bath (pH 4.0)
(Component) (Concentration)
Nickel sulfamate 450g / L
Boric acid 30g / L
When the electroplating was performed for 4 hours, the hole pattern 3a of the electroforming mold was filled with the nickel coating. Therefore, after removing the electroforming mold from the plating bath and thoroughly washing with water, the tip surface of the nickel coating was polished to a predetermined level. Aligned to the height of. Then, after ashing with oxygen plasma to decompose and remove the mold 3, the conductive film 1 is dissolved and removed by wet etching to remove the conductive substrate 2, and the width of 50 μm corresponding to the shape of the parent mold IM1 is high. A fine metal part 4 having a thickness of 50 μm was produced.
[0058]
The cross section of the obtained fine metal part was observed with a metallographic microscope, and the size of the crystal grains was measured at positions of 5% above and below in the thickness direction. And the crystal grain size φ on the conductive film side 1 And crystal grain size φ on the coating surface side 2 And from equation (1):
Rφ = φ 1 / Φ 2 (1)
The crystal grain size ratio Rφ was found to be 1.1, and there was almost no variation in the crystal grain size, and the fine metal part had a uniform crystal structure throughout the thickness direction. confirmed.
[0059]
Further, the hardness of the surface of the fine metal part on the conductive film 1 side is measured by using a micro Vickers hardness tester (MVK-ELS manufactured by Akashi Seisakusho Co., Ltd.), a micro hardness test method defined in Japanese Industrial Standard JIS Z2251. As a result, it was confirmed that a plating film having the original hardness of nickel was formed from the initial stage of plating.
From these facts, it was confirmed that fine metal parts having a sharp corner edge and excellent verticality in the height direction and having a high aspect ratio can be manufactured with good reproducibility and at a low cost and in a large number of steps.
[0060]
Example 2
<Formation of Cu powder>
Copper (II) sulfate, ammonia, and ammonium sulfate were added to pure water to prepare a solution containing each component at the following concentrations.
(Component) (Concentration)
Copper (II) sulfate 0.5M
Ammonia 5.0M
Ammonium sulfate 1.0M
Next, an excess amount (about 10 g) of copper wire (diameter 2 mm) was immersed in 1 liter of this solution, and nitrogen was bubbled to remove dissolved oxygen.
[0061]
Next, this solution was reacted for 24 hours at 25 ° C. with stirring in a highly airtight container so that oxygen was not mixed to produce a solution containing Cu (I) ammine complex ions.
Next, while stirring the liquid temperature of this solution at 25 ° C., 100 mL of a 20% sulfuric acid solution is added to cause disproportionation decomposition reaction to precipitate metallic copper in the solution. Generated. At this time, the rate of decrease ΔpH / sec per unit time of the pH of the solution was 0.25.
[0062]
Next, the produced Cu powder was separated from the solution, washed with pure water, and dried.
When the particle size and particle shape of the obtained Cu powder were observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the particle size was substantially uniform and the particle shape was also substantially spherical. Moreover, it was 30 nm when the average particle diameter of Cu powder reflected on the photograph was measured.
Moreover, it was 99.96% when the purity of the obtained Cu powder was measured by ICP mass spectrometry.
[0063]
<Preparation of conductive paste>
A conductive paste was prepared in the same manner as in Example 1 except that the same amount of the Cu powder formed above was used as the metal powder.
<Production of electroforming mold and production of fine metal parts>
Except for using the above-mentioned conductive paste, the same shape of the electroforming mold was prepared as in Example 1, and the same shape of the fine metal part was used under the same conditions as in Example 1 except that this electroforming mold was used. Manufactured.
[0064]
The cross section of the obtained fine metal part was observed with a metallographic microscope, and the ratio Rφ of the crystal grain size was found by the above formula (1). However, it was confirmed that the fine metal part has a uniform crystal structure throughout the thickness direction.
Further, the hardness of the surface of the conductive film 1 side of the fine metal part was measured according to the microhardness test method defined in Japanese Industrial Standard JIS Z2251 using the micro Vickers hardness meter, and was 220 Hv, From the initial stage of plating, it was confirmed that a plating film having the original hardness of nickel was formed.
[0065]
Comparative Example 1
A conductive paste was prepared in the same manner as in Example 1 except that the same amount of Ag powder having an average particle diameter of 2 μm was used as the metal powder.
<Production of electroforming mold and production of fine metal parts>
Except for using the above-mentioned conductive paste, the same shape of the electroforming mold was prepared as in Example 1, and the same shape of the fine metal part was used under the same conditions as in Example 1 except that this electroforming mold was used. Manufactured.
[0066]
The cross section of the obtained fine metal part was observed with a metallographic microscope, and the crystal grain size ratio Rφ was determined by the above formula (1). Thus, it was confirmed that the fine metal part has a two-layer structure of a large region and a small region of metal crystal grains.
Moreover, when the hardness of the surface of the conductive metal 1 side of the fine metal part was measured in accordance with the microhardness test method defined in Japanese Industrial Standard JIS Z2251 using the micro Vickers hardness meter, it was 170 Hv, It was confirmed that the plating film having the original hardness of nickel was not formed at the initial stage of plating.
[0067]
The above results are summarized in Table 1.
[0068]
[Table 1]
Figure 0003952743

[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1E are cross-sectional views showing an example of a process for producing a fine metal part by the production method of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views showing an example of a process for forming a mold used in the manufacturing process from a parent mold of a fine metal part.
[Explanation of symbols]
1 Conductive film
1 'conductive paste
2 Conductive substrate
Type 3
3a Hole pattern
4 Fine metal parts
EM electric mold

Claims (9)

平均粒径が400nm以下である微細な金属粉末(鎖状のものを除く)を導電成分として含有した導電ペーストからなる導電膜を介して、導電性基体上に、微細金属部品の形状に対応した微細な通孔パターンを有する、絶縁材料からなる型を固定した形状の電鋳型を用意する工程と、この電鋳型の通孔パターンの部分で露出させた導電膜の表面、または導電性基体と導電膜の表面に、これらの部分を電極とする電気めっきによって選択的にめっき被膜を成長させることで、通孔パターンの形状に対応した微細金属部品を形成する工程と、を含むことを特徴とする微細金属部品の製造方法。Corresponding to the shape of fine metal parts on a conductive substrate through a conductive film made of a conductive paste containing a fine metal powder (excluding chain-like ones) having an average particle size of 400 nm or less as a conductive component A step of preparing an electroforming mold having a fine through hole pattern in which a mold made of an insulating material is fixed, and the surface of the conductive film exposed at the through pattern portion of the electroforming mold or the conductive substrate and the conductive substrate. Forming a fine metal part corresponding to the shape of the through-hole pattern by selectively growing a plating film on the surface of the film by electroplating using these portions as electrodes. Manufacturing method of fine metal parts. 金属粉末を、固形分中に5〜95重量%の割合で含む導電ペーストを用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the electrically conductive paste which contains a metal powder in the ratio of 5-95 weight% in solid content. 平均粒径が200nm以下である金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein metal powder having an average particle diameter of 200 nm or less is used. めっき被膜を形成する金属との格子定数の差が5%以下である金属を含む金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the metal powder containing the metal whose lattice constant difference with the metal which forms a plating film is 5% or less. めっき被膜を形成する金属と同じ金属を含む金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the metal powder containing the same metal as the metal which forms a plating film. Ni、Fe、Co、Ag、Au、Pt、Cu、In、Ir、Re、Rh、およびPdからなる群より選ばれた1種の金属または2種以上の金属の合金によって形成された金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  A metal powder formed of one metal selected from the group consisting of Ni, Fe, Co, Ag, Au, Pt, Cu, In, Ir, Re, Rh, and Pd or an alloy of two or more metals. The method for producing a fine metal part according to claim 1 to be used. 金属イオンと還元剤とを液中で反応させることで、液中に析出させて形成した金属粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The manufacturing method of the fine metal component of Claim 1 using the metal powder formed by making it react in a liquid by making a metal ion and a reducing agent react. 還元剤として3価のチタン化合物を用いる請求項7記載の微細金属部品の製造方法。  The method for producing a fine metal part according to claim 7, wherein a trivalent titanium compound is used as the reducing agent. Cu(I)アンミン錯イオンを含む溶液のpHを低下させることで金属Cuを超微粒子状に析出させて得たCu粉末を用いる請求項1記載の微細金属部品の製造方法。  The method for producing a fine metal part according to claim 1, wherein Cu powder obtained by precipitating metal Cu into ultrafine particles by lowering the pH of a solution containing Cu (I) ammine complex ions is used.
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