JP4311449B2 - 無電解めっき方法、およびめっき皮膜が形成された非導電性被めっき物 - Google Patents

無電解めっき方法、およびめっき皮膜が形成された非導電性被めっき物 Download PDF

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Description

この発明は、非導電性被めっき物上への無電解めっき方法、およびこの無電解めっき方法によるめっき皮膜が形成された非導電性被めっき物に関するものである。
装飾めっき、電子部品の電極形成などの様々な分野において、金属膜を形成することが行なわれている。金属膜の形成には、しばしば、めっきが適用される。被めっき物が非導電性の場合は、金属膜の形成のため、通常、電気めっきを適用することができず、無電解めっきが適用される。無電解めっきにおいては、典型的には、めっき浴に還元剤を添加し、該還元剤の酸化反応によって生じる電子を利用して金属を被めっき物の表面に析出させることが行なわれる。このめっき方法は自己触媒型の無電解めっきと呼ばれる。
自己触媒型の無電解めっきでは、還元剤の酸化反応に対し被めっき物の表面を触媒活性にする必要がある。このため、従来より、たとえば特開2002−314309号公報(特許文献1)に記載されているように、事前にPd(パラジウム)を含有した触媒液に被めっき物を浸漬させることにより、被めっき物の表面を触媒活性化させるのが一般的である。
このPdを主成分とする触媒は、自己触媒型の無電解めっきにおいては最も触媒作用が大きく、また適用可能な還元剤の種類が多いという利点があり、工業的には最も広く用いられているものである。
しかしながら、Pdを含有した触媒液に被めっき物を浸漬しようとする場合、Pd触媒を付与するための前処理として脱脂工程やエッチング工程が必要になる等、製造工程が煩雑になるという問題がある。また、Pdが高価であるという問題もある。さらに、被めっき物とめっき皮膜との間に触媒として残ったPdからなる中間層が、被めっき物に対するめっき皮膜の密着力を弱めるという不具合もある。
なお、特開2003−183843号公報(特許文献2)には、被めっき物表面に形成された導電性の電極部分に対し、めっき皮膜を形成する金属イオンとこの金属イオンを析出させる還元剤とが添加されためっき浴を使用して無電解めっきを施すめっき方法において、めっき浴中に、還元剤の酸化反応に対し触媒活性を示す導電性媒体を被めっき物とともに投入することを特徴とするめっき方法が開示されている。
特許文献2に記載のめっき方法では、上述のPd触媒付与を電極部分に行なわなくても、電極部分に無電解めっき皮膜を形成することができる。しかしながら、特許文献2には、非導電体からなる被めっき物に対するめっき皮膜の形成については開示がない。
特開2002−314309号公報 特開2003−183843号公報
この発明の目的は、非導電性被めっき物に対し、事前の触媒付与工程を経ることなく、めっき皮膜を形成することができる、無電解めっき方法を提供しようとすることである。
この発明の他の目的は、密着力の高いめっき皮膜が形成された非導電性被めっき物を提供しようとすることである。
この発明は、非導電性被めっき物に対し、めっき皮膜を形成する金属イオンとこの金属イオンを析出させる還元剤とが添加されためっき浴を使用して、無電解めっきを施す、めっき方法にまず向けられるものであって、還元剤の酸化反応に対し触媒活性を示す導電性媒体を被めっき物に接触させることを特徴としている。
この発明に係る無電解めっき方法において、被めっき物に導電性媒体をより効率的に接触させるため、めっき液の通過を許容する容器を用意し、この容器内に非導電性被めっき物と導電性媒体とを投入し、非導電性被めっき物と導電性媒体とを投入した容器をめっき浴内で回転、揺動または振動させることが好ましい。
この発明に係る無電解めっき方法において、好ましくは、上記金属イオンを導電性媒体上に析出させることによって、導電性媒体上に析出金属を付着させ、導電性媒体を非導電性被めっき物に接触させることによって、導電性媒体上に付着した析出金属を非導電性被めっき物上に転移させ、それによって、非導電性被めっき物上にめっき皮膜が形成される。
この発明に係る無電解めっき方法の好ましい第1の実施態様では、めっき皮膜は、その主成分がNi、Co、AuもしくはPtまたはこれらの合金からなり、還元剤は、リン酸系化合物を含み、導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、Co、AuおよびPtのうちの少なくとも1種を含む。
この発明に係る無電解めっき方法の好ましい第2の実施態様では、めっき皮膜は、その主成分がNi、Co、AuもしくはPtまたはこれらの合金からなり、還元剤は、ホウ素系化合物を含み、導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、Co、AuおよびPtのうちの少なくとも1種を含む。
この発明に係る無電解めっき方法の好ましい第3の実施態様では、めっき皮膜は、その主成分がNi、CoもしくはPtまたはこれらの合金からなり、還元剤は、窒素系化合物を含み、導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、CoおよびPtのうちの少なくとも1種を含む。
この発明に係る無電解めっき方法の好ましい第4の実施態様では、めっき皮膜は、その主成分がCu、AgもしくはAuまたはこれらの合金からなり、還元剤は、アルデヒド系化合物を含み、導電性媒体の少なくとも表面は、Cu、AgおよびAuのうちの少なくとも1種を含む。
この発明は、また、Ni、Co、Cu、Ag、AuおよびPtから選ばれる少なくとも1種の金属またはそれらの合金を主成分とするめっき皮膜が形成された、非導電性被めっき物にも向けられる。ここで、めっき皮膜は、上述したこの発明に係る無電解めっき方法によって形成されたものであることを特徴とするとともに、前述の還元剤の還元作用に対し触媒活性を示す物質からなる層を介することなく、非導電性被めっき物に直接密着した状態にあることを特徴としている。
この発明に係る無電解めっき方法によれば、非導電性被めっき物に対し、事前にPdなどの触媒付与を行なう必要がないため、煩雑な工程を必要とせずに、また低コストでめっき皮膜を形成することができる。
また、この発明に係る無電解めっき方法によれば、Pd触媒などからなる中間層を介さず、非導電性被めっき物の上にめっき皮膜が直接密着するため、被めっき物に対する密着力の高いめっき皮膜を得ることができる。
図1は、この発明に係る無電解めっき方法によるめっき皮膜形成過程を図解的に示す説明図である。
符号の説明
1 無電解めっき浴
2 導電性媒体
3 析出金属
4 非導電性被めっき物
5 めっき皮膜
まず、この発明に係る無電解めっき方法について説明する。
要約すれば、この発明に係る無電解めっき方法は、めっき皮膜を形成する金属イオンと金属イオンを析出させる還元剤が添加されためっき浴を使用して、非導電性被めっき物に対し無電解めっきを施す、めっき方法であって、還元剤の酸化反応に対し触媒活性を示す導電性媒体を被めっき物に接触させることを特徴としている。
図1を参照して、より詳細に説明する。図1(a)に示すように、無電解めっき浴1中に含まれる金属イオン(M+ )は、導電性媒体2の触媒作用により、還元剤(R)の酸化反応(R→O+e- )によって生じた電子(e- )を受けて還元され(M+ +e- →M)、導電性媒体2の表面に析出・付着しやすくなる。このようにして、まず、導電性媒体2の表面に、金属イオン(M+ )に由来する析出金属3が付着する。
次いで、図1(b)に示すように、導電性媒体2上に付着した析出金属3は、導電性媒体2が矢印で示すように非導電性被めっき物4に衝突した際、被めっき物4の表面に押し付けられ、あるいは擦り付けられることによって、図1(c)に示すように、被めっき物4の表面に転移される。このように、被めっき物4の表面に転移した析出金属3は、被めっき物4に対してアンカー効果により密着すると考えられる。
次いで、被めっき物4に密着した析出金属3を核として、図1(c)において破線で示すように、被めっき物4上に析出金属3が次々に析出し、めっき皮膜5が形成されていく。特に析出金属3が還元剤に対して触媒活性を持つ場合、上記のような析出金属3の核が形成された後は、形成されためっき皮膜5が拡大されるに従い、加速度的にめっき皮膜5が形成されていく。
上述しためっき皮膜5は、還元剤の還元作用に対し触媒活性を示す物質からなる層を介することなく、非導電性被めっき物4に直接密着した状態にある。
具体的な実施形態として、めっき液の通過を許容する容器を用意し、この容器内に非導電性被めっき物と導電性媒体とを投入し、非導電性被めっき物と導電性媒体とを投入した容器をめっき浴内で回転、揺動または振動させることによって、非導電性被めっき物と導電性媒体とを効率的に接触させる方法を適用することが好ましい。この場合、通常の電気めっき法で用いられるようなバレルを上記容器として有利に用いることができる。また、バレルを傾斜させた状態で回転、揺動または振動させてもよい。
この発明に係るめっき方法と特許文献2に記載のめっき方法とを比較すると、事前のPdなどの触媒付与が不要であること、および還元剤に対して触媒活性を示す導電性媒体を被めっき物と接触させることに関しては共通する。ただし、特許文献2に記載のめっき方法では、被めっき物が電極などの導電体部分を有し、めっき皮膜はこの導電体部分のみに形成されるという点で大きく異なる。
すなわち、特許文献2に記載のめっき方法では、被めっき物の導電体部分の表面に触媒活性を有する導電体媒体が接触した際に、その接触点の近傍にて還元剤の酸化反応が生じ、その酸化反応により生じた電子が被めっき物の導電体上を流れる。この導電体上の電子を、めっき浴中の導電体上近傍の金属イオンが受け、、導電体上に金属が析出する。この反応の繰り返しにより、導電体上のみにめっき皮膜が形成されていくのである。
他方、被めっき物の導電体部分以外の非導電体部分においては、還元剤の酸化反応により析出した電子が流れることがないため、特許文献2に記載の機構ではめっき皮膜は形成されない。ただ、非導電体部分においても、上述の本件発明の機構、すなわち、導電性媒体が被めっき物に衝突する際、導電性媒体に析出・付着した析出金属が被めっき物に転移されかつ密着する機構に従って、めっき皮膜が形成されることも推測される。しかしながら、特許文献2に記載の機構によれば、めっき浴中の金属イオンは、優先的に導電体部分上へ析出することになるため、非導電体部分にはめっき皮膜はほとんど形成されない。
以上より、同じ金属イオンと還元剤に対して触媒活性を持つ同じ導電性媒体とを用いても、被めっき物が導電体部分を含むか含まないかによって、めっき皮膜形成の機構が完全に異なるということである。すなわち、この発明に係るめっき方法は、非導電体上にめっき皮膜を形成することを目的としているため、この発明の対象となる被めっき物は、実質上導電体部分を含んではならない。
この発明に係るめっき方法は、上述のような機構に基づくものであるので、前述の特許文献1に記載のめっき方法の場合と比較して、あるいは特許文献2に記載のようなめっき皮膜を形成すべき表面が導電体である場合と比較して、成膜速度が遅くなる傾向がある。しかし、上述のように、自己触媒性を持つ析出金属の核が形成された後は成膜速度がより速くなることを考慮すると、このことは、実用上問題となるレベルではない。
以上のように、この発明に係るめっき方法によれば、めっき浴中の金属イオンは、主として、触媒活性を持つ導電性媒体上にまず析出し、その後、導電性媒体が被めっき物へ接触することにより、析出金属が被めっき物に転移されかつ密着する。この密着した析出金属を核として、析出金属の自己触媒性により、めっき皮膜が形成される。このようにして、被めっき物が非導電性であっても、事前の触媒付与工程を経ることなく、無電解めっき皮膜を形成させることができる。
なお、導電性媒体の少なくとも表面は、めっき浴中の還元剤に対して触媒活性を示すものでなくてはならない。以下、用いられ得る還元剤の種類と、それに適する導電性媒体を構成する金属元素とについて説明する。
還元剤としては、一般に広く使用されているリン酸系化合物、ホウ素系化合物、窒素化合物、およびアルデヒド系化合物などが挙げられる。これらの還元剤に関しては、触媒活性を有する金属に関する研究報告が既になされている。
たとえば、Au、Ni、CoおよびPtは、リン酸系還元剤である次亜リン酸ナトリウム(NaH2 PO2 )の酸化反応に対して触媒活性であることが報告されている(大野 湶、若林 理、春山 志郎著,「無電解めっきにおける次亜リン酸ナトリウムのアノード酸化に対する金属の触媒活性」,金属表面技術,第34巻,第12号,1983年,pp.594-599)。
したがって、リン酸系還元剤を用いる場合、導電性媒体の少なくとも表面を構成する金属として、Au、Ni、CoおよびPtの少なくとも1種を使用することにより、非導電性被めっき物の表面に、事前の触媒付与工程を経ずに、Ni、Co、Au、Pt等のめっき皮膜を形成することが可能となる。
また、還元剤として、テトラホウ素ナトリウム(NaBH4 )やDMAB((CH3 2 NHBH3 )等のホウ素系化合物を使用した場合、Ni、Co、PtおよびAuは、これらホウ素系化合物の酸化反応に対して触媒活性であることが報告されている(大野 湶、若林 理、春山 志郎著,「無電解めっきにおけるホウ水素化ナトリウムおよびジメチルアミンボランのアノード酸化に対する金属の触媒活性」,電気化学,第53巻,第3号,1985年,pp.196-201)。
したがって、ホウ素系化合物からなる還元剤を用いる場合、導電性媒体の少なくとも表面を構成する金属として、Au、Ni、CoおよびPtの少なくとも1種を使用することにより、非導電性被めっき物の表面に、事前の触媒付与工程を経ずに、Ni、Co、Au、Pt等のめっき皮膜を形成することが可能となる。
さらに、還元剤として、窒素系化合物としてのヒドラジン(N2 4 )を使用した場合、Co、NiおよびPtは、N2 4 の酸化反応に対して触媒活性であることが報告されている(大野 湶、若林 理、春山 志郎著,「無電解めっきにおけるホルムアルデヒドおよびヒドラジンのアノード酸化に対する金属の触媒活性」,電気化学,第53巻,第3号,1985年,pp.190-195)。
したがって、還元剤に窒素系化合物を用いる場合、導電性媒体の少なくとも表面を構成する金属として、Ni、CoおよびPtの少なくとも1種を使用することにより、非導電性被めっき物の表面に、事前の触媒付与工程を経ずに、Ni、Co、Pt等のめっき皮膜を形成することが可能となる。
また、還元剤としてホルムアルデヒド(HCHO)を使用した場合、Cu、AuおよびAgは、HCHOの酸化反応に対して触媒活性であることが報告されている(大野 湶、若林 理、春山 志郎著,「無電解めっきにおけるホルムアルデヒドおよびヒドラジンのアノード酸化に対する金属の触媒活性」,電気化学,第53巻,第3号,1985年,pp.190-195)。
したがって、還元剤にアルデヒド系化合物を用いる場合、導電性媒体の少なくとも表面を構成する金属として、Cu、AuおよびAgの少なくとも1種を使用することにより、非導電性被めっき物の表面に、事前の触媒付与工程を経ずに、Cu、Au、Ag等のめっき皮膜を形成することが可能となる。
以上、この発明に係るめっき方法に好適なめっき浴と導電性媒体との関係について説明した。上記説明は、還元剤について、リン酸系化合物、ホウ素系化合物、窒素系化合物およびアルデヒド系化合物の4種類に分けて行なったが、この発明に係るめっき方法は、上記4種類に限られるものではない。めっき浴中の金属成分および導電性媒体表面の金属成分が、採用した還元剤に対して触媒活性を示すものであれば、当然さらに他の組合わせも考えられる。
また、導電性媒体については、少なくともその表面が導電性を有し、かつ還元剤に対し触媒活性を有していればよく、内部での導電性および触媒活性は問題とならない。
導電性媒体の大きさについては、被めっき物の大きさに応じて適宜選択される。導電性媒体および被めっき物の各々の大きさを体積で言うならば、導電性媒体の体積は、被めっき物の体積の1/1000〜1/1程度であることが望ましい。導電性媒体が小さすぎると、被めっき物との衝突時において、析出金属を押し付ける力が弱くなるため、皮膜形成が遅くなる。他方、導電性媒体が大きすぎると、被めっき物との衝突確率が低くなるため、皮膜形成が遅くなる。
めっき浴の諸条件、たとえば、金属イオン濃度、還元剤の濃度、pH、温度、ならびに、安定剤や界面活性剤などの各種添加剤の種類および量などは、実施しようとするめっき方法に応じて選択された還元剤や金属イオンの種類により、適宜調整されるべきものである。
次に、この発明に係るめっき方法を用いて無電解めっき皮膜を形成した非導電性被めっき物について説明する。
この発明に係る非導電性被めっき物は、前述したように、Ni、Co、Cu、Ag、AuおよびPtから選ばれる少なくとも1種の金属またはそれらの合金を主成分とするめっき皮膜が形成された、非導電性被めっき物であって、上記めっき皮膜が、たとえばPdを主成分とする金属または化合物からなる層を介することなく、被めっき物に直接密着した状態にあることを特徴としている。
このように、この発明によれば、事前のPd等の触媒付与工程が必要ないため、被めっき物とめっき皮膜の間に、中間層が存在しない。したがって、めっき皮膜の密着力が高くなる。
非導電性被めっき物は、少なくともめっき皮膜を形成する表面部分が非導電性であることが前提となる。めっき皮膜の形成されない被めっき物内部の非導電性までは問題とならない。仮に表面に導電体部分がある場合は、前述の理由により非導電体部分にめっき皮膜が形成されないため、この発明の範囲外となる。
また、この発明によるめっき皮膜は、被めっき物が非導電性であるため、被めっき物に対しアンカー効果により直接密着している状態であると考えられる。したがって、被めっき物の表面の表面粗さが大きいほど、めっき皮膜の密着力は大きくなる傾向がある。被めっき物の表面粗さRaは、0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上であることがより好ましい。
この発明のめっき方法を用いて、たとえばNi皮膜を形成した後、その表面に通常よく行なわれる置換Auめっきを形成することは、何ら差し支えない。また、Snめっきを形成しても、特に問題を生じるものではない。
以下、この発明に係る無電解めっき方法および非導電性被めっき物を、より具体的な実施例に基づいて説明する。
非導電性被めっき物として、縦3mm、横3mmおよび高さ7mmの直方体状の誘電体セラミックユニットを100個用意した。
他方、次のような組成および条件を有するめっき浴を用意した。
金属塩 : 硫酸銅 0.04モル/リットル
還元剤 : ホルムアルデヒド 0.70モル/リットル
錯化剤 : EDTA 0.08モル/リットル
pH : 12.0
浴温 : 45℃
次いで、内容積が1.90×10-43 の揺動バレルに、上記100個の誘電体セラミックユニットを投入するとともに、直径約0.7mmのCu球を8.6g(約1500個)投入し、この揺動バレルを上記めっき浴に浸漬し、空気攪拌を施しながら、8〜16往復/分の速度で揺動バレルを60分間揺動させ、誘電体セラミックユニットの表面にCuめっき皮膜を形成した。
上記のように無電解めっきを行なうことにより、事前の触媒処理工程を経ることなく、密着強度および析出むらに問題のない、膜厚約2.0μmのCuめっき皮膜を形成することができた。なお、めっき皮膜の膜厚は、蛍光X線膜厚計(セイコーインスツルメンツ社製SEA5120)で測定したものである。上記めっき皮膜が形成された誘電体セラミックユニットは、誘電体共振器として用いるのに好適である。
非導電性被めっき物として、縦5mm、横5mmおよび高さ1.5mmのプラスチック製筐体を100個用意した。
他方、めっき浴として、市販のNi−P合金浴としての荏原ユージライト製「エバシールドTN」を用意し、浴温を63℃に設定した。
次いで、内容積が1.90×10-43 の揺動バレルに、上記100個のプラスチック製筐体を投入するとともに、直径約0.7mmのNi球を7.9g(約1500個)投入し、この揺動バレルを上記めっき浴に浸漬し、空気攪拌を施しながら、8〜16往復/分の速度で揺動バレルを60分間揺動させ、プラスチック製筐体の表面にNi−P皮膜を形成した。
上記のように無電解めっきを行なうことにより、事前の触媒処理工程を経ることなく、密着強度および析出むらに問題のない、膜厚約6.0μmのNi−Pめっき皮膜を形成することができた。上記めっき皮膜が形成されたプラスチック製筐体は、電磁波シールド材として用いるのに好適である。
非導電性被めっき物として、直径約3.0mmのAl2 3 球体を100個用意した。
他方、めっき浴として、市販のNi−B合金浴としての奥野製薬製「トップケミアロイB−1」を用意し、pHを6.7に、浴温を60℃にそれぞれ設定した。
次いで、内容積が1.90×10-43 の回転バレルに、上記100個のAl2 3 球体を投入するとともに、直径約0.7mmのNi球を7.9g(約1500個)投入し、この回転バレルを上記めっき浴に浸漬し、空気攪拌を施しながら、0.05s-1(=3rpm)の回転速度で回転バレルを40分間回転させ、Al2 3 球体の表面にNi−B皮膜を形成した。
上記のように無電解めっきを行なうことにより、事前の触媒処理工程を経ることなく、密着強度および析出むらに問題のない、膜厚約1.5μmのNi−Bめっき皮膜を形成することができた。上記めっき皮膜が形成されたAl2 3 球体は、低温発熱体として用いるのに好適である。

Claims (8)

  1. めっき皮膜を形成する金属イオンと前記金属イオンを析出させる還元剤とが添加されためっき浴を使用して、非導電性被めっき物上にめっき皮膜を無電解めっきによって形成する、無電解めっき方法であって、
    前記還元剤の酸化反応に対し触媒活性を示す導電性媒体を用意する工程と、
    前記非導電性被めっき物上に前記めっき皮膜を形成するため、前記導電性媒体を前記非導電性被めっき物に接触させる工程と
    を備えることを特徴とする、無電解めっき方法。
  2. 前記めっき浴を構成するめっき液の通過を許容する容器を用意する工程と、前記容器内に前記非導電性被めっき物と前記導電性媒体とを投入する工程とをさらに備え、前記導電性媒体を非導電性被めっき物に接触させる工程は、前記非導電性被めっき物と前記導電性媒体とを投入した前記容器を前記めっき浴内で回転、揺動または振動させながら、前記非導電性被めっき物と前記導電性媒体とを接触させる工程を備えることを特徴とする、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  3. 前記導電性媒体を非導電性被めっき物に接触させる工程は、前記金属イオンを前記導電性媒体上に析出させることによって、前記導電性媒体上に析出金属を付着させる工程と、前記導電性媒体を前記非導電性被めっき物に接触させることによって、前記導電性媒体上に付着した前記析出金属を前記非導電性被めっき物上に転移させる工程とを備える、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  4. 前記めっき皮膜は、その主成分がNi、Co、AuもしくはPtまたはこれらの合金からなり、前記還元剤は、リン酸系化合物を含み、前記導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、Co、AuおよびPtのうちの少なくとも1種を含む、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  5. 前記めっき皮膜は、その主成分がNi、Co、AuもしくはPtまたはこれらの合金からなり、前記還元剤は、ホウ素系化合物を含み、前記導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、Co、AuおよびPtのうちの少なくとも1種を含む、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  6. 前記めっき皮膜は、その主成分がNi、CoもしくはPtまたはこれらの合金からなり、前記還元剤は、窒素系化合物を含み、前記導電性媒体の少なくとも表面は、Ni、CoおよびPtのうちの少なくとも1種を含む、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  7. 前記めっき皮膜は、その主成分がCu、AgもしくはAuまたはこれらの合金からなり、前記還元剤は、アルデヒド系化合物を含み、前記導電性媒体の少なくとも表面は、Cu、AgおよびAuのうちの少なくとも1種を含む、請求項1に記載の無電解めっき方法。
  8. Ni、Co、Cu、Ag、AuおよびPtから選ばれる少なくとも1種の金属またはそれらの合金を主成分とするめっき皮膜が形成された、非導電性被めっき物であって、
    前記めっき皮膜は、請求項1ないし7のいずれかに記載の無電解めっき方法によって形成されたものであり、かつ、前記めっき皮膜が、前記還元剤の還元作用に対し触媒活性を示す物質からなる層を介することなく、前記非導電性被めっき物に直接密着した状態にあることを特徴とする、非導電性被めっき物。
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