WO2012043129A1

WO2012043129A1 - 電気アルミニウムめっき液

Info

Publication number: WO2012043129A1
Application number: PCT/JP2011/069895
Authority: WO
Inventors: 広中野; 芳典根岸; 晴夫赤星
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-04-05
Also published as: EP2623643A1; EP2623643A4; JPWO2012043129A1; US20130168258A1

Abstract

　本発明の目的は、上記課題を解決し、非水溶媒中の溶解度が高く、電気めっきの通電電気量を大きくすることができ、短時間で効率良くアルミニウムの電気めっきを行うことができる電気アルミニウムめっき液を提供することにある。　本発明の電気アルミニウムめっき液は、アルミニウム金属塩と、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物がイオン対を形成してなるイオン液体と、誘電率が８以下の有機溶媒とから構成されることを特徴とする。誘電率が８以下の有機溶媒として、ヘキサン，トルエン，ジエチルエーテル，酢酸エチル，シクロヘキサン，キシレン，ベンゼン，ナフタレン，ヘプタン，シクロペンチルメチルエーテル，ジオキサンのうち少なくともひとつを含み、イオン液体と有機溶媒の合計に対して、有機溶媒の体積分率を３０％以上とすることが好ましい。

Description

電気アルミニウムめっき液

　本発明は、非水溶媒を用いた電気アルミニウムめっき液に関する。

　アルミニウムの電気めっきは、アルミニウムの酸素に対する親和力が大きく、電位が水素より卑であるため、水溶液系のめっき浴で電気めっきを行うことは困難である。このため、アルミニウムの電気めっきでは、非水溶媒めっき液が多く研究されてきた。この有機溶媒系のめっき浴としては、ＡｌＣｌ₃とＬｉＡｌＨ₄またはＬｉＨとをエーテルに溶解したものやＡｌＣｌ₃とＬｉＡｌＨ₄とをＴＨＦ（テトラヒドロフラン）に溶解したものが代表的なものである。しかし、これらのめっき浴は、いずれも浴中に非常に活性なＬｉＡｌＨ₄やＬｉＨを含んでいるため、酸素や水分が存在すると、それらと反応して分解し、電流効率が低下し、浴寿命も短くなってしまうものであった。このような中で安全且つ低コストなめっき液として、特許文献１，２などにはジメチルスルホンを溶媒とした溶融塩電解めっき液が報告されている。

　また、近年では、特許文献３，４などに示すような、アルミニウムハロゲン化物と、アルキルピリジニウムハロゲン化物，四級アンモニウム塩，１－アルキルまたは１，３－ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物等とからなる溶融塩をめっき浴として用いる電気アルミニウムめっき法が提案されている。しかしながら、これらめっき浴は、水分の混入によってめっき状態が大きく変化するため、一定のめっき条件で電気めっきを行っても常に均一なめっき被膜が得られるとは限らない。

特開２００４－７６０３１号公報特開２００６－１６１１５４号公報特開昭６２－７０５９２号公報特開平１－２７２７８８号公報

　しかしながら、従来の非水電解液は、一般にアルミニウム塩の溶解度が低く、大電流で短時間でめっき処理することが困難であり、効率よくめっき作業を行うことができない。また、電解液中に酸素や水分が存在すると、それらとアルミニウム塩とが反応して分解し、電流効率が低下したり、めっきの仕上がりが悪くなり、電解液が劣化するという問題があった。

　これらの問題に加えて、高温溶融塩系の非水電解液の場合には、作動時に１００℃以上にしなければならず、常温での作動は不可能であるという問題があった。また、常温溶融塩系の非水電解液の場合には、作動可能な範囲が非常に狭く、めっき膜の未析出等の欠陥を低減するためにアルミニウム金属塩の濃度を高くすると、液の粘性が高くなってしまい、めっきの析出速度が低下するとともにめっきのつき周りが悪いという問題があった。

　そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、非水溶媒中の溶解度が高く、電気めっきの通電電気量を大きくすることができ、短時間で効率良くアルミニウムの電気めっきを行うことができる電気アルミニウムめっき液を提供することにある。

　本発明の電気アルミニウムめっき液は、アルミニウム金属塩と、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物がイオン対を形成してなるイオン液体と、誘電率が８以下の有機溶媒とから構成されることを特徴とする。誘電率が８以下の有機溶媒として、ヘキサン，トルエン，ジエチルエーテル，酢酸エチル，シクロヘキサン，キシレン，ベンゼン，ナフタレン，ヘプタン，シクロペンチルメチルエーテル，ジオキサンのうち少なくともひとつを含み、イオン液体と有機溶媒の合計に対して、有機溶媒の体積分率が３０％以上であることが好ましい。
　本発明の他の目的、特徴及び利点は以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

　本発明によれば、めっきの析出効率が向上し、膜厚の均一性を改善することが可能となる。また、上記めっきを適用することで、立体的な形状であっても均一なめっきが施された部品を提供することが可能となる。

　本発明の実施の形態について以下に説明する。

　アルミニウム源として使用するアルミニウム金属塩としては、アルミニウムハロゲン化物を使用できる。アルミニウムハロゲン化物としては、塩化アルミニウム，臭化アルミニウム等の無水塩が使用できる。アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物に対して、めっき液中のアルミニウム濃度が等モル以下ではめっきの析出速度が著しく低下するため、濃度が高いほうがめっきの析出均一性が良好となる。めっき液中のアルミニウム濃度は、アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物に対して、等モル以上含有されることがよく、好ましくは１.５倍以上、より好ましくは３倍以上含有されることがよい。

　アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物としては、ジアルキルイミダゾリウム塩，脂肪族ホスホニウム塩，４級アンモニウム塩などの有機化合物カチオンのハロゲン化物が使用できる。ジアルキルイミダゾリウム塩としては、１，３－ジアルキルイミダゾリウムハロゲン化物である１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（［ＥＭＩＭ］・Ｃｌ）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムブロミド（［ＥＭＩＭ］・Ｂｒ）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムヨージド（［ＥＭＩＭ］・Ｉ）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（［ＢＭＩＭ］・Ｃｌ）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムブロミド（［ＢＭＩＭ］・Ｂｒ）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヨージド（［ＢＭＩＭ］・Ｉ）などを好適に用いることができる。また、脂肪族ホスホニウム塩としては、エチルトリブチルホスホニウムクロリド（［ＥＢＰ］・Ｃｌ），エチルトリブチルホスホニウムブロミド（［ＥＢＰ］・Ｂｒ），エチルトリブチルホスホニウムヨージド（［ＥＢＰ］・Ｉ）、などを好適に用いることができる。４級アンモニウム塩として、テトラエチルアンモニウムブロミド（［Ｅ４Ｎ］・Ｂｒ），トリメチルエチルアンモニウムクロリド（［Ｍ３ＥＮ］・Ｃｌ），テトラブチルアンモニウムクロリド（［Ｂｕ４Ｎ］・Ｃｌ）などを好適に用いることができる。

　上記したアルミニウム金属塩と、アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物とを混合することにより、以下の反応により、イオン対を形成したイオン液体が形成される。

　　　Ａｌ・Ｘｎ＋Ｒ・Ｙｍ＝（Ａｌ・Ｒ）（Ｘｎ）（Ｙｍ）　　　　　　…（式１）
　（式１において、Ｘ，Ｙはハロゲン化物を示し、Ｒは有機化合物カチオンを示し、ｎ，ｍは価数を示し、１～４の整数である。）
　アルミニウム金属塩に塩化アルミニウム，アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物に１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリドを用いた場合の反応を例として以下に記載する。

　このように、アルミニウム塩とジアルキルイミダゾリウム塩などの有機化合物を混合すると、それらはイオン対を形成し、融体（イオン液体）が得られる。このイオン液体は、電気めっき液として機能することが可能である。しかしながら、めっき液としてはアルミニウムの濃度が高いことが望まれるが、例えば、アルミニウム金属塩とイオン対を形成する有機化合物に対してアルミニウム金属塩をモル比で３倍以上とすると、アルミニウムの濃度が高くなるに従い粘性が高く流動性がなくなり、このようなイオン液体からは均一なめっきの析出が得られなくなる。そこで本発明では、粘性が高いイオン液体を有機溶媒に溶解させることによって、モル比が３倍より大きくても粘性を低くでき、めっき液として好適に用いることが可能となる。また、有機溶媒の体積分率が高いほど、相対的にアルミニウムのイオン濃度が低下していくが、粘性が低くなることで見かけの拡散係数が大きくなるために被めっき面での電流を大きく均一にすることが可能となる。従って、基板面への均一なめっきを得ることができる。

　有機溶媒としては、誘電率が８以下の非極性の溶媒を用いることが好ましい。誘電率の高い極性有機溶媒を用いた場合には、アルミニウムとイオン対を形成している有機化合物とが解離し、めっきの析出効率が低下してしまう。これは、イオン液体中の正負イオン間のクーロン力が媒体の誘電率に反比例し、溶媒の比誘電率が高いほどクーロン力は小さくなり、金属塩の解離が容易になり、アルミニウム金属塩と有機化合物とのイオン対の解離が容易となってしまうためである。したがって、有機溶媒の誘電率は８以下のものが好ましく、より好ましくは５以下とすることが望ましい。このような有機溶媒としては、ヘキサン（誘電率２.０），トルエン（誘電率２.４），ジエチルエーテル（誘電率４.３），酢酸エチル（誘電率６.０），シクロヘキサン（誘電率２.０），キシレン（誘電率２.５），ベンゼン（誘電率２.３），ナフタレン（誘電率２.５），ヘプタン（誘電率１.９），シクロペンチルメチルエーテル（誘電率４.８），ジオキサン（誘電率２.１）が挙げられ、これらのうちいずれか一種、あるいは複数を用いても良い。また、有機溶剤の沸点は、４０℃以上のものが好ましく、沸点が低過ぎると、密閉，冷却等の有機溶剤の発散，引火等への対策が過重となるので好ましくない。また、イオン液体と有機溶媒の合計に対して、有機溶媒の体積分率を３０vol％以上とすることが好ましく、５０vol％以上が更に好ましく、７５vol％以上が望ましい。しかしながら、有機溶媒の体積分率が高くなりすぎると、アルミニウムのイオン濃度が低下しすぎてしまい、９０vol％よりも高くなるとめっきの電流効率低下の原因となってしまう。そのため、有機溶媒の体積分率は９０vol％が好ましい。

　アルミニウム塩に加えて、卑金属塩としてＮｉやＣｏ，Ｃｕ、などの遷移金属塩やＴｉ，ＷやＭｏなどの高融点金属塩を加えると、得られるめっき膜にこれらの元素が含まれ、熱的安定性を向上させることができる。例えばニッケルの場合は、塩化ニッケル，硫酸ニッケルなどを０.０１から２０mol％の濃度となるように添加することができ、その場合ニッケル塩とアルミニウム塩を加えた金属塩濃度は一定となるようにアルミニウム塩の添加量を調整すると良い。同様に他の卑金属塩の場合も、塩化物との金属塩などを添加することができる。

　めっき処理温度は作業性を勘案すると１０～６０℃以下が好ましく、さらには４０℃以下が望ましい。温度が１０℃未満となると、粘度が高くなりめっき膜全体が黒くなる傾向を示す。

　電気アルミニウムめっきは、めっき条件として、直流もしくはパルス電流により、電流密度０.０１～１０Ａ／ｄｍ²で行うと電流効率がよくかつ均一なめっきをすることができる。電流密度が高すぎると、有機化合物の分解，めっき層の不均一化、さらには電流効率の低下が起り好ましくない。また、めっき液が酸素，水分に対して不安定なため、めっきは乾燥不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。

　連続めっきを行う場合には、めっき浴にＡｌイオンを補給して、浴中のＡｌイオン濃度を一定の範囲に保つ必要があるが、この場合、陽極をアルミニウム製可溶性陽極にすると、通電量に応じてＡｌイオンが自動補給され、アルミニウムハロゲン化物の補給によらなくてもＡｌイオン濃度を一定の範囲に保つことができ、しかも、浴組成を崩すことがない。

　めっき後の洗浄に用いる有機溶剤は、ヘキサン，ドデカン等の飽和脂肪族炭化水素類、および、ベンゼン，トルエン，ヘキシルベンゼン，ドデシルベンゼン等の芳香族炭化水素類である。これらは、めっき液中に混入しても悪影響を及ぼさず、中でも、アルキル置換基を有する芳香族炭化水素、特に炭素数８以下のアルキル置換基を有するアルキルベンゼンは、めっき液中に混入してもめっきに悪影響を及ぼさないので、特に好ましい。有機溶剤の沸点は、４０℃以上のものが好ましく、沸点が低過ぎると、密閉，冷却等の有機溶剤の発散，引火等への対策が過重となるので好ましくない。

　以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。

〔実施例１〕
　１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（関東化学製；［ＥＭＩＭ］Ｃｌ）と無水塩化アルミニウム（和光純薬，ＡｌＣｌ₃）を用いた。湿度５％，温度２５℃としたグローブボックス内で秤量し、［ＥＭＩＭ］Ｃｌ：ＡｌＣｌ₃＝１：３のモル比となるようにＡｌＣｌ₃を加え、１００ｍｌの融体を得た。３００ｍｌのトルエン（和光純薬工業）に前述の融体を溶解させ、総量で４００ｍｌとなるようにめっき液を作製した。得られた電解液４００ｍｌを、縦×横×深さが１００mm×５０mm×１００mmのポリプロピレン製の電解槽に入れた。

　次に、アノード電極として縦×横が７５mm×７５mm、厚さが２mmの純度９９.９％のアルミニウム板を、またカソード電極として縦×横が５０mm×５０mm、厚さが０.１mmの銅箔を、互いに３０mmの間隔を置いて電解槽内に対向させて配置し、電解液内に浸漬した。電極と接続用のリード線を電解槽の蓋を気密状態で貫通させ、電源に接続した。

　以上の作業をグローブボックス中で行った後、外に取り出した。

　電気アルミニウムめっきは定電流源を用いて、電流密度－１０ｍＡ／cm²で２０分間または電流密度－２０ｍＡ／cm²で１０分間行い、銅箔の表面にアルミニウムめっき膜を形成した。めっき時の電圧は３Ｖ以下として行った。その後、電流効率の評価と、めっき膜の表面状態の観察を行った。電流効率は、アルミニウムの析出量を実測して求め、これをクーロンメータの電流値を基に予め算出される析出量と比較し、後者の計算上の析出量に対する割合を百分率として求めた。

　上記のようにして行った結果、めっき状態が良好であった。また、銅箔面内の５か所について膜厚測定を行った結果、めっき膜厚は４μｍであり、分布は５％以内と、良好な結果が得られた。また、電流効率は９７％と良好であった。

　この結果から明らかなように、本実施例の溶媒および溶質を用いると、電気めっきの通電電流を大きく取ることができ、短時間で効率良くアルミニウムのめっきができると共に、電流効率が良く、電解液の劣化によるトラブルも回避され、均一性良く良好なめっき状態を得ることができることがわかった。

〔実施例２～１２〕
　塩化アルミニウム塩ＡｌＣｌ₃を、表１に示した有機化合物，有機溶媒を用いて、種々の塩濃度Ａ（モル／１）の１つとなるように溶解させて、実施例２～１２のめっき液を実施例１と同様に作成した。

　電気アルミニウムめっきは定電流源を用いて、電流密度－１０ｍＡ／cm²で２０分間または電流密度－２０ｍＡ／cm²で１０分間行った。その後、電流効率，めっき表面状態の観察を行った。めっき時の電圧は３Ｖ以下として行った。電流効率は、アルミニウムの析出量を実測して求め、これをクーロンメータの電流値を基に予め算出される析出量と比較し、後者の計算上の析出量に対する割合を百分率として求めた。その結果を表１に示す。

　この結果から明らかなように、実施例１～１２の溶媒および溶質を用いると、電気めっきの通電電流を大きく取ることができ、短時間で効率良くアルミニウムのめっきができると共に、電流効率が良く、電解液の劣化によるトラブルも回避され、良好なめっき状態を得ることができる。アルミニウム塩の濃度が高くなるとめっきの際の電流効率を向上可能であった。また、有機溶媒の濃度は高い方が粘性を低下させることができ、膜厚ばらつきを低減できた。また、実施例４，５のようにアルミニウム塩以外の卑金属を加えた場合、電流効率が低下する場合もあったがめっき膜の膜厚のばらつきが低減できた。

〔実施例１３〕
　実施例１と同様のめっき方法に従い、被めっき物は中央でＬ字型に９０度折った銅箔へのめっきを実施した。銅箔面の５か所について膜厚測定を行った結果、めっき膜厚は４μｍであり、分布は８％以内と、良好な結果が得られた。電流効率は９７％と良好であった。

　この結果から明らかなように、本実施例の溶媒および溶質を用いると、電気めっきの通電電流を大きく取ることができ、短時間で効率良くアルミニウムのめっきができると共に、立体的な形状であっても均一なめっきが施された部品を提供することが可能とわかった。

（比較例１）
　実施例１と同様に１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（２０モル％）と三塩化アルミニウム（８０モル％）とからなるイオン液体をめっき液として用いてめっきを施した。この場合は、電流密度が２０ｍＡ／cm²で実施したが、良好なめっきができずアルミニウムめっきの表面が黒く焼けためっき膜となった。また、めっき液の粘性が高いため、膜厚の分布が大きくなってしまった。

（比較例２）
　実施例１と同様に１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（２０モル％）と三塩化アルミニウム（８０モル％）とからなるイオン液体を極性溶媒であるプロピレンカーボネート（誘電率６５）に溶解しめっき液として用いてめっきを施した。この場合は、電流密度が２０ｍＡ／cm²で実施したが、良好なめっきができずほとんどアルミニウムの析出が起きなかった。このような極性を有する溶媒にイオン液体を溶解させると、アルミニウム塩とイオン対を形成している有機化合物とが解離してしまい、めっき反応を阻害したと考えられる。

（比較例３）
　実施例１と同様に１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド（２０モル％）と三塩化アルミニウム（８０モル％）とからなるイオン液体を極性溶媒であるアセトニトリル（誘電率３８）に溶解しめっき液として用いてめっきを施した。この場合は、電流密度が２０ｍＡ／cm²で実施したが、良好なめっきができずほとんどアルミニウムの析出が起きなかった。
　上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業者には明らかである。

Claims

　アルミニウム金属塩と、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物がイオン対を形成してなるイオン液体と、誘電率が８以下の有機溶媒とから構成されることを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記イオン液体と前記有機溶媒の合計に対して、前記有機溶媒の体積分率が３０％以上であることを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記アルミニウム金属塩は少なくともハロゲン化アルミニウムを含有することを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記有機溶媒が、ヘキサン，トルエン，ジエチルエーテル，酢酸エチル，シクロヘキサン，キシレン，ベンゼン，ナフタレン，ヘプタン，シクロペンチルメチルエーテル，ジオキサンから選ばれる少なくとも１種類以上であることを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物として、ジアルキルイミダゾリウム塩，脂肪族ホスホニウム塩，４級アンモニウム塩のうち少なくともひとつを含有することを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物に対して、前記アルミニウム金属塩のモル比が１以上であることを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、前記アルミニウム金属塩と、前記アルミニウム金属塩とイオン対をなす有機化合物とを混合してイオン液体を合成した後に、前記イオン液体と前記有機溶媒とを混合して得られたことを特徴とする電気アルミニウムめっき液。
　請求項１に記載の電気アルミニウムめっき液において、アルミニウム金属塩以外の卑金属塩を含むことを特徴とする電気アルミニウムめっき液。