銅電気メッキ

銅電気めっきは、金属物体の表面に銅の層を電気めっきするプロセスです。銅は、独立したコーティングとして、また他の金属をめっきするための下地として使用されます。 ^[1]銅層は装飾的であり、耐腐食性を提供し、電気伝導性と熱伝導性を高め、または追加の堆積物の基板への接着性を向上させることができます。^{[2] [3]}

銅の電気めっきは、電気分解を利用して電解セルで行われます。すべてのめっきプロセスと同様に、めっきされる部品は、金属を堆積させる前に、汚れ、グリース、酸化物、および欠陥を取り除くために洗浄する必要があります。^{[4] [5]}前洗浄後、部品はセルの水性電解溶液に浸され、陰極として機能します。銅の陽極も溶液に浸されます。めっき中、直流電流がセルに適用され、陽極内の銅が酸化によって電解液に溶解し、電子を失って銅カチオンにイオン化します。銅陽イオンは、電解液中に存在する塩と配位錯体を形成し、その後、陽極から陰極に輸送されます。陰極では、銅イオンは電子を獲得して金属銅に還元されます。これにより、部品の表面に薄い固体の金属銅膜が堆積します。

陽極は、単純な銅板か、銅の塊や球が詰められたチタン製または鋼製のバスケットのいずれかです。^[6]陽極は、通常ポリプロピレンまたは他の布で作られた陽極バッグに入れられ、陽極から剥がれ落ちる不溶性粒子を封じ込めてめっき浴を汚染するのを防ぎます。^{[2] [7]}

銅電気めっき浴は、ストライクコーティングまたはフラッシュコーティングのいずれかをめっきするために使用できます。ストライクコーティングまたはフラッシュコーティングは、追加の金属層でめっきされ、後続の層の下にある基板への接着性を向上させるのに役立つ、薄い接着性の高い最初の層です。または、仕上げ層またはスタンドアロンコーティングとして機能するより厚い銅コーティングです。^[5]

銅電気めっきに使用できる電解質化学にはさまざまな種類がありますが、そのほとんどは錯化剤に基づいて5つの一般的なカテゴリに分類できます。^{[2] [6]}

1. アルカリシアン化物
2. アルカリ性非シアン化物
3. 酸性硫酸塩
4. 酸フルオロホウ酸塩
5. ピロリン酸

アルカリ性シアン化物浴は、歴史的に銅の電気めっきに最も一般的に使用されているめっき化学物質の 1 つです。^{[5] [8]}シアン化銅浴は、通常、高い被覆力と均一性を提供し、基板を均一かつ完全に被覆できますが、多くの場合、電流効率が低くなります。^[2]拡散防止特性に優れた金属仕上げを生み出します。拡散防止は、クロムと鋼など、異なる金属の長期接着を改善するために使用されます。また、2 番目の材料が基板に拡散するのを防ぐためにも使用されます。

シアン化物浴には、銅(I)イオンの供給源としてシアン化銅、シアン化銅と錯体を形成して溶解性にする遊離シアン化物の供給源としてシアン化ナトリウムまたはシアン化カリウム、および導電率とpH制御を高めるための水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムが含まれています。 ^{[9]浴には、}ロシェル塩、炭酸ナトリウムまたは炭酸カリウム、およびさまざまな独自の添加剤が含まれている場合もあります。 ^[2]シアン化銅浴は、低効率のストライク専用浴、中効率のストライクプレート浴、および高効率のメッキ浴として使用できます。^[6]

• 温度: 24-66 °C (ストライク); 40-55 °C (ストライクプレート); 60-71 °C (高効率) ^[6]
• カソード電流密度: 0.5-4.0 A/dm ² (ストライク); 1.0-1.5 A/dm ² (ストライクプレート); 8.6 A/dm ² (高効率) ^[6]
• 電流効率：30～60%（ストライク）; 30～50%（ストライクプレート）; 90～99%（高効率）; ^[6]
• pH: >11.0 ^[2]

商業用めっき装置では、通常、銅を高濃度に保持するシアン化銅溶液を使用します。しかし、シアン化物は非常に有毒であるため、めっき槽内に遊離シアンが存在すると危険です。これにより、健康被害と廃棄物処理の問題の両方が生じます。^[6]

シアン化物ベースのめっき化学薬品の使用に関する安全性の懸念から、シアン化物を含まないアルカリ銅めっき浴が開発されました。しかし、より一般的なシアン化物ベースのアルカリ化学薬品と比較すると、一般的には限られた用途しか使用されていません。^[2]

酸性硫酸銅電解液は、硫酸銅と硫酸の比較的単純な溶液であり、シアン化銅電解液よりも安価で、維持および制御が容易です。^[2]シアン化物浴と比較して、電流効率が高く、電流密度が高く、したがってめっき速度が速くなりますが、通常は均一電着性が低くなりますが、高均一電着性のバリエーションも存在します。^{[2]さらに、最初にシアン化物ベースのストライク層またはその他のバリア層を塗布せずに、鋼や亜鉛などの}貴金属以外の金属に直接めっきすることはできません。そうしないと、浴内の酸によって浸漬コーティングが形成され、接着性が損なわれます。^[6]この現象と均一電着性の低さのため、酸性硫酸浴は通常、ストライク浴として使用されません。^[2]

酸性銅浴はアルカリ性シアン化物とともに最も一般的に使用される銅めっき電解液の一つであり^{[10]、装飾めっき、}電気鋳造、グラビア印刷、プリント回路基板や半導体の製造などの工業用途に使用されています。^{[6] [11]}

酸性硫酸塩浴には、銅(II)イオン源としての硫酸銅、浴の導電性を高め、銅塩の溶解性を確保し、陽極と陰極の分極を減らし、均一電着性を高める硫酸、および陽極の分極を減らし、縞状の堆積物の形成を防ぐのに役立つ塩酸や塩化ナトリウムなどの塩化物イオン源が含まれています。 ^[6]ほとんどの浴には、粒子構造を洗練し、延性を改善し、堆積物を明るくするのに役立つさまざまな有機添加剤も含まれています。^[12]酸性銅電解液には、汎用浴、高均一浴、高速浴などがあります。高均一浴と高速浴は、スルーホールの低電流密度領域をめっきするために高均一電着が必要なプリント基板製造など、より高い均一電着性とより速いめっき速度が必要な場合に使用されます。^[2]

• 温度: 通常は室温^[6]だが、浴槽によっては43℃まで上がる場合もある^[2]
• 陰極電流密度: 2～20 A/dm ² (汎用); 1.5～5 A/dm ² (高速)); 5～20 A/dm ² (高速) ^[2]
• 電流効率：100% ^[6]

酸性銅電解液には、均一性と平滑性の向上、仕上げの光沢化、硬度と延性のコントロール、その他の望ましい特性の付与に役立つ、さまざまな一般的な添加剤や独自の添加剤が開発されています。20世紀半ばに遡る歴史的な配合では、チオ尿素と糖蜜がよく使用され、他の配合ではさまざまなガム、炭水化物、スルホン酸が使用されました。^{[13] [8]}

半導体やプリント基板の用途では、酸性銅浴に高アスペクト比のビアやスルーホールへのめっきを容易にする添加剤が使用される。このような添加剤は3つのカテゴリーに分類できる。^[14]

• 抑制剤（阻害剤またはキャリアとも呼ばれる）（通常はポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどのポリエーテル）
• 促進剤（光沢剤とも呼ばれる）（典型的には、3-メルカプト-1-プロパンスルホン酸やビス-（3-スルホプロピルナトリウム）ジスルフィドなどのチオールまたはジスルフィド）
• レベラー（例としては、ヤヌスグリーンB、アルシアンブルー、ダイアジンブラックなどの染料）

これらの添加剤がないと、ビア内部の局所的な電流密度が低いため、銅はビア内部ではなくビア上部の表面に優先的に堆積し、ビアの上から下への充填と望ましくないボイドにつながります。抑制剤はビア上部と表面付近のめっきを抑制し、光沢剤はビア下部付近のめっきを促進します。レベラーはビア開口部の堆積を防ぎ、より滑らかな表面仕上げを実現します。^{[14] [15]}

フッ化ホウ素銅浴は酸性硫酸浴に似ていますが、硫酸ではなくフッ化ホウ素をアニオンとして使用します。^[6]フッ化ホウ素銅は硫酸銅よりもはるかに溶解性が高く、浴に大量の銅塩を溶解できるため、硫酸銅浴よりもはるかに高い電流密度が可能になります。主な用途は、高電流密度が必要な高速めっきです。フッ化ホウ素化学の欠点は、酸性硫酸浴よりも均一電着性が低いこと、運用コストが高いこと、安全上の問題や廃棄物処理の懸念が大きいことです。^[2]

酸性フッ化ホウ素浴には、テトラフルオロホウ酸銅とフッ化ホウ酸が含まれています。フッ化ホウ酸イオンの加水分解を防ぎ、浴中に遊離フッ化物を生成するために、通常ホウ酸が浴に添加されます。酸性硫酸浴とは異なり、フッ化ホウ素浴には通常、有機添加剤は含まれていません。^[6]

• 温度: 18-66℃ ^[6]
• 陰極電流密度：13-38 A/dm ²（高濃度）；8-13 A/dm ²（低濃度）^[6]
• pH: 0.2-0.6 (高濃度); 1.0-1.7 (低濃度) ^[6]

ピロリン酸銅めっき浴は、毒性のあるアルカリシアン化物浴や腐食性の酸性銅浴に比べて化学的性質が穏やかで、弱アルカリ性の pH で動作し、比較的毒性のないピロリン酸化合物を使用します。ピロリン酸電解液はアルカリシアン化物や酸性めっき浴よりも廃棄物処理が容易ですが、維持管理がより困難です。ピロリン酸浴は高い均一性を提供し、明るく延性のある堆積物を生成するため、高アスペクト比の貫通穴をめっきするために高い均一性が求められるプリント回路基板の製造に特に役立ちます。^{[2] [16]}

ピロリン酸浴には、銅(II)イオン源としてのピロリン酸第二銅、浴の導電性を高めて陽極溶解を助ける遊離ピロリン酸源としてのピロリン酸カリウム、陽極溶解を促進して析出物の粒子を微細化するアンモニア、陰極分極を減少させて最大許容電流密度を高める硝酸イオン源（硝酸カリウムまたは硝酸アンモニウムなど）が含まれています。浴が作られると、ピロリン酸銅とピロリン酸カリウムが反応して錯体[K ₆ Cu(P ₂ O ₇ ) ₂ ]を形成し、これが解離して銅が析出するCu(P ₂ O ₇ ) ₂ ⁶⁻アニオンを形成します。ピロリン酸電解液のバリエーションには、汎用浴、ストライク浴、プリント回路浴などがあります。プリント回路浴には通常、延性と均一電着性を向上させる有機添加剤が含まれています。^{[2] [6]}

ピロリン酸浴では、ピロリン酸の加水分解によってリン酸イオンが形成され、時間の経過とともに電解液に蓄積する傾向があるため、メンテナンスが困難になります。リン酸イオンは、濃度が40～60 g/Lを超えると浴の均一性と析出物の延性を低下させ、濃度が100 g/Lを超えると溶液の導電性が低下し、析出物が縞状になり、明るい電流密度範囲が低下します。リン酸は、部分的な除去と希釈を行うか、浴を完全に廃棄して作り直すことで浴から除去されます。^[6]

銅の表面をできるだけ滑らかにするには、電流を制御することが重要です。電流が高すぎると、メッキするアイテムに水素の泡が発生し、表面に欠陥が残ります。メッキの均一性と明るさを向上させるために、さまざまな他の化学物質が添加されることがよくあります。これらの添加剤は、食器用洗剤から独自の化合物まで、あらゆるものになります。何らかの形の添加剤がなければ、滑らかなメッキ表面を得ることはほぼ不可能です。

形成された表面は、光沢を出すために必ず研磨する必要があります。形成された状態では、マットな光沢があります。

連続ストリップめっき業界を除くと、銅はニッケルに次いで2番目に一般的にめっきされる金属です。^[6]銅電気めっきは、他のめっきプロセスに比べて、金属コストが低い、導電性と延性が高く光沢のある仕上がり、めっき効率が高いなど、多くの利点があります。このプロセスは、装飾とエンジニアリングの両方のさまざまな用途に使用されています。

装飾銅電気めっきは、光沢のあるめっき皮膜を形成する銅浴配合物の高い平滑性、ベースメタルの欠陥を被覆する銅の能力、および光沢のある仕上げに磨きをかけやすい銅の柔らかさを利用しています。銅は最終的な装飾表面層として使用される場合もありますが、通常はその後、クロム、ニッケル、金など、摩耗や変色に強い他の金属でめっきされます。この場合、銅下地の輝きによって、その後の仕上げ層の外観が向上します。^[5]装飾銅めっきを利用する製品には、自動車のトリム、家具、ドアやキャビネットの取っ手、照明器具、台所用品、その他の家庭用品、衣料品などがあります。^{[9] [17]}

銅メッキは通貨の鋳造にも使用されます。^{[18] [19]}

銅の電気めっきは、電気伝導率が高いため、電気および電子機器の製造に広く使用されています。銅は銀に次いで2番目に電気伝導率の高い金属です。^[20]銅はプリント基板に電気めっきされ、スルーホールに金属を追加して基板の導電性回路トレースを製造します。これは、銅をブランケットのパターン化されていない層としてめっきし、その後パターン化されたマスクでエッチングして目的の回路を形成するサブトラクティブプロセス（パネルめっき）または、目的の回路を露出させるパターン化されたマスクを基板に適用し、マスクされていない回路領域に銅めっきするアディティブまたはセミアディティブプロセス（パターンめっき）のいずれかによって行われます。^[12]半導体業界では、ダマシンプロセスを使用して、金属化のために相互接続のビアとトレンチに銅をパターンめっきします。^[21]銅は、電気ケーブル用途の鋼線のめっきにも使用されます。^[22]

銅は軟質金属であるため、展性があり、メッキ後に基板が曲げられたり操作されたりしても接着力を維持できる柔軟性を備えています。電気メッキすると、銅は滑らかで均一な被覆を提供するため、追加のコーティングやメッキ工程に最適なベースとなります。耐腐食性も銅のもう 1 つの利点です。銅はニッケルほど耐腐食性が高くないため、強化された腐食保護が必要な場合、ニッケルのベース層としてよく使用されます。典型的には、海洋および海底環境での使用が必要な材料の場合です。最後に、銅には抗菌性があるため、一部の医療用途で使用されています。^[23]

• 銅被覆アルミ線
• 無電解銅めっき
• 電気メッキ

• PTH 処理された無電解銅めっきの実際のめっきをYouTubeで紹介（責任を持って）