JP4033908B2 - 貴金属塩で核層形成した支持体、その製造方法およびその使用 - Google Patents
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Description
技術水準
電気工業および電子工業における適用のために、多種多様の支持体上に金属層が設けられる。支持体の形状寸法および導電率に依存しない、かかる支持体上に金属層を設ける低廉な方法は、無電解金属化またはめっき(stromlose Metallisierung)である。この方法は、たとえばローエンハイム(Frederic A.Lowenheim):“Modern Electroplating”、John Wiley&Sons出版、ニューヨークおよびデトナー(Heinz W.Dettner)、エルツ(J.Elze):“Handbuch der Galvanotechnik、II巻”、Carl Hauser出版、ミュンヘンに記載されている。
無電解金属化の場合、金属化(またはめっき)すべき支持体の表面に貴金属核(Edelmetallkeimen)が設けられる。技術水準により、これは殊に次式によるSn2+含有化合物とPd2+含有化合物との反応によって行われる:
Sn2+ + Pd2+ →Sn4+ + Pd
その際、パラジウムはPdCl2水溶液として存在するかまたは有機パラジウム溶液として存在することができ、この溶液中に支持体を浸漬するかまたは支持体に溶液を噴霧するかまたはプリントする。パラジウムは、支持体に吸着により結合されている。パラジウムのほかに、核金属として白金も使用されるが、パラジウムはその低価格のため好ましい。次に、核層上に化学的に少なくとも1種の金属を、析出すべき金属の1種の塩ないしは析出すべき数種の金属の塩を還元することにより析出させる。
公知方法における欠点は、均等な核層形成(Bekeimung)を達成するのが困難なことである。核層が閉じられていることを確保するためには、それぞれの場合に支持体表面に対して大量の核金属(Keimmetall)が必要である。さらに、粉末の無電解金属化はこれまで不知である。本発明者は実験において、粉末に公知の核層形成および次いで無電解金属化を適用する場合、被膜は非常に不均等であることを確認した。
本発明の利点
貴金属塩が支持体表面に化学的に結合している請求項1の部類による支持体は、均等に十分に閉じた核層で覆われている。その厚さは、最大で数原子層である。そのため、単位面積当たりの核材料の必要性は僅かである。後続する金属化の場合、均等で十分に閉じた金属層を確保するためには相応に比較的僅かな金属が必要であるにすぎない。核層の結合のためには、残基Xを有する結合性原子団X−(K)mが少なくとも1個の酸素橋を介して支持体表面に結合していて、基Kは貴金属塩を錯化することができ、その際mが1および3の間の整数、好ましくは1であるのが有利である。Xは、好ましくはシラニル基、炭化水素基、ジルコニル基、チタニル基およびアルミニウム含有基の群から選択されている。官能基Kとしては、場合により置換されているアルケニル基、アルキニル基またはアリール基のようなπ官能基またはアミノ基がとくに適当である。本発明は、有利に酸化物支持体および表面に酸化物皮膜を形成しうる支持体材料、殊にガラス、セラミック、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、ケイ化物、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、アルミン酸塩、酸化アルミニウム、プラスチックおよびこれら材料の2種または数種の組合せの群から選択されている支持体材料に適用できる。本発明は核層形成した支持体が約100nmおよび約300μmの間の範囲内の粒度を有する粉末として存在する場合にも適用できることがとくに有利である。本発明の特別な利点は、完全平面の支持体だけでなく、粉末にも意図的に核層形成し、これにより意図的に金属化することができることである。殊に錯化により、支持体表面上に貴金属核の微細で均等な分布が達成できる。貴金属は、好ましくはパラジウムまたは白金であり、その際パラジウムが、白金よりも廉価であるので最も好ましい。
殊に核層形成した本発明による支持体の製造のためには、請求項7の部類による、貴金属塩を支持体表面に化学的に結合する方法が適当である。その際、貴金属塩を、一方で支持体表面と、他方で貴金属塩と反応することのできる少なくとも二官能性化合物の媒介により支持体に結合するのが有利である。酸化物の支持体表面または酸化物皮膜で覆われた支持体表面を一般式(A)n−X−(K)m[式中Aは酸化物上の水和物皮膜と酸素橋の形成下に基Xに反応することのできる反応性基であり、Kは貴金属錯化性基であり、nおよびmは1および3の間の整数であり、その際nおよびmは最も好ましくはそれぞれ1である、つまり化合物は二官能性である]の化合物と反応させるのが有利であり、引き続き基Kとリガンド交換できる可溶性錯貴金属化合物と反応させ、塩を場合により自体公知の方法で還元するのがとくに有利である。その際、XおよびKは原子団X−(K)m(上記参照)におけるものと同じ意味を有し、およびAがハロゲン、エステル基、カルボキシル基および酸ハロゲン化物基の群から選択されているのが好ましい。記述した化合物の有利な代表例は、アリルジメチルクロルシラン、オレイン酸またはリノール酸、ナフテン酸およびアミノプロピルメチルジエトキシシランの群から選択されている。
方法を実施する場合、使用される貴金属塩がシクロオクタジエンまたはベンゾニトリルのような、官能基Kとリガンド交換できる錯生成剤で錯化されているのが有利である。核層形成材料の付着改善のためおよび支持体表面と二官能性化合物との反応を容易にするために、支持体を核層形成する前に、アルカリ金属水酸化物、殊に水酸化ナトリウムのような溶解試薬(Aufschlussagenzien)またはフッ化水素酸溶液のようなフッ化水素酸含有溶液またはHF/NH4F混合物含有溶液で処理するのが推奨される。本発明による方法は、支持体材料が上記に記載した材料から選択されている場合に、とくに有利に適用される。
本発明により、請求項15の部類による、金属層で覆われている核層形成した粉末が提供される。本発明による粉末は、核層が粉末表面に化学的に結合している場合にとくに有利な性質を有し、その際形成核層の結合のために結合性原子団X−(K)mは基Xで少なくとも1個の酸素橋を介して支持体表面に結合していて、官能基Kは貴金属塩を錯化することができ、その際mは1および3の間の整数、好ましくは1であるのが有利である。その際、Xはシラニル基、炭化水素基、ジルコニル基、チタニル基およびアルミニウム含有基の群から選択されているのが有利である。官能基Kとしては、場合により置換されているアルケニル基、アルキニル基またはアリール基のようなπ官能基(π−Funktion)またはアミノ基がとくに適当である。粉末材料が、ガラス、セラミック、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、ケイ化物、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、アルミン酸塩、酸化アルミニウム、プラスチックのような材料またはこれら材料の2つ以上の組合せからなり、水和物皮膜で覆われている場合が有利であり、その際ガラスおよびセラミックがとくに好ましい。金属層がNi/W、Ni/Sn、Co/WおよびCo/Moのような合金、Ni、Cu、Ag、Auのような個々の金属および白金族金属、またはCuOおよびCu2Oのような金属酸化物を含有するのが有利である。
本発明による金属化粉末の焼結の際、その導電性相が連続的である2相材料が生じる。その際、電気抵抗は網目細工様に構成された導電性金属相の体積割合により調節される。これにより、材料の抵抗率は狭い範囲内で再現可能に調節できる。これに反して、公知の金属−セラミック複合材料(サーメット)の場合、電気抵抗は金属粒子間のパーコレーション(Perkolation)により調節される。その際、粉末および金属は大割合で共存する。パーコレーションを確保するために、たとえば白金での粉末金属化の場合金属粉末混合物中の白金の重量割合は30重量%以上である。
本発明により、粉末表面に貴金属塩を核層形成し、その際貴金属塩は支持体に化学的に結合されている、請求項20の部類による金属化法を、粉末表面を無電解金属化するために使用することができる。その際、上記に記載した方法におけるように核層形成するのが有利である、それというのもこの場合とくに均等な核層形成だけでなく、それに基づき相応に均等な金属化が得られるからである。引き続き、設けるべき1種の金属の塩ないしは数種の金属の塩、および還元電位が1種ないしは数種の塩および場合により貴金属塩に調整されている還元剤を含有する浴中で無電解金属化する。その際、錯化により粉末表面上に非常に微細で均等、つまり閉じた金属層が生じる。核層は本発明による核層形成法で粉末粒子の表面上に設けることもできるので、従来不可能であったが、粉末表面を均等な金属層で被覆することもできる。
実施例の記述
次の記述において、ガラス板またはガラス粉末の形のガラス支持体にパラジウムで核層形成し、次いでニッケル/タングステンからなる層で被覆する。しかし、パラジウムで核層形成し、ニッケル/タングステンで被覆されたガラス支持体に対する本発明の適用は実際に有利であるが、この材料の組合せに制限されていないことを明らかにする。
支持体として、ガラス板または100nmおよび300μmの間の範囲内の粒度を有するガラス粉末から出発する。支持体表面を、好ましくは水酸化ナトリウム、フッ化水素酸のような溶解剤またはHF/NH4F混合物で処理する。処理は、殊に後で設けられる核層の付着を改善するため粗面化するのに役立つ。しかし、この処理を省略する場合、設けられた核層はそれにも拘わらずかなりの付着を有する。支持体は、クロロホルムのような固有溶剤中の有機ケイ素化合物の5%〜30%、好ましくは約10%溶液中に0℃および40℃の間の温度、好ましくは室温で浸漬し、撹拌しながら数時間放置する。有機ケイ素化合物は好ましくは一般式(A)n−X−(K)mを有し、式中nおよびmはそれぞれ1〜3の整数、好ましくは1であり、Aはガラス表面−正確には水和物皮膜−と反応する反応性基であり、Xは好ましくはシラニル基であり、Kはアリル基のようなπ官能基またはアミノ基を表わす。典型的な代表例は、アリルジメチルクロルシランであり、このものはガラス表面と、HClの脱離および酸素橋の形成下に反応する。引き続き、支持体を溶液から引出し、乾燥する。
第1反応工程において活性化されたガラス表面に、官能基Kとリガンド交換しうる貴金属塩の有機錯体、たとえばPdCl2.ベンゾニトリルまたはPdCl2シクロオクタジエンを反応させる。このために、ガラス表面を、第1反応工程において使用されたと同じ種類のものであってもよい溶剤中の有機錯体の溶液中に浸漬する。反応温度および反応時間も第1反応工程におけると類似であってもよい。リガンド交換が行われ、貴金属錯体の錯生成剤が支持体に結合した官能基Kと交換される。引き続き、支持体を溶液から引出し、乾燥する。それにより、ガラス支持体はPdCl2で核層形成される。PdCl2は後続する金属化工程前に、たとえばNaBH4またはたの錯ボランとの反応によりまたは無電解金属化の間に初めて還元することができる。
支持体材料1gあたりPdCl2の析離量を測定するためには支持体を秤量し、引き続きPdCl2を溶解し、溶液中のパラジウム量を原子吸光分光分析または原子発光分光分析により測定する。鏡検は支持体表面の均等な着色を示し、これは均等な核層形成を推論させる。PdCl2ないしはPdでの表面の均等な被覆を基礎にする場合、支持体上に固着されたPd量または付加的に確かめられた支持体表面積から、被覆は1〜10分子層の大きさであることが判明する。
核層形成したガラス粉末上にニッケル/タングステン合金からなる層を設けるために、この粉末にタングステン塩、好ましくはタングステン酸塩、ニッケル塩、好ましく硫酸ニッケルおよびジアルキルアミンボランのような還元剤および場合により湿潤剤のような他の添加物を含有する水溶液を作用させる。設けられた層の厚さの制御は、反応温度および反応時間によって行われる。反応温度は、とくに約60℃および約100℃の間の範囲内であり、好ましくは約80℃である。反応は、アルカリ性条件下、好ましくは7.5および10.5の間のpH値、とくに好ましくは約9で実施され、約10分および約30分の間継続する。
製造された金属層は非常に均等であり、これは金属化されたガラス粉末から焼結することにより製造したプレートでの組織分析および互いに垂直な2方向における4点抵抗測定(4−Punkt−Widerstandsmessungen)によって確かめられる。設けられた層の厚さは、析離金属量ないしは反応時間次第でナノメーターおよびマイクロメーターの間にある。それを確かめるために、支持体上に析離し、次に剥離した金属量を原子発光分光分析ないしは原子吸光分光分析によりおよび粉末表面積を通常の方法により測定する。
ガラス支持体に対すると同様に、本発明は酸化物であるかまたは表面に酸化物皮膜を形成する他の支持体、たとえばセラミック、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、ケイ化物、アルミン酸塩、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、プラスチック、たとえばポリイミド、ポリエステル、ウレタン、ポリアミド、シリコーン、アクリレート、スチロール等およびこれら材料の2種または数種の組合せからなる支持体に対しても適用できる。
一般に、好ましくは、一般式(A)n−X−(K)mの二官能性化合物[式中基Xはシラニル基、炭化水素基、たとえば2〜10個の炭素原子を有する炭化水素基、ジルコニル基、チタニル基およびアルミニウム含有基の群から選択されおよび場合により置換されているアルケニル基、アルキニル基またはアリール基のような少なくとも1個の官能基Kまたはアミノ基、およびハロゲン、エステル基、カルボキシル基および酸ハロゲン化物基の群から選択されている少なくとも1個の反応性基と組合されている]が核層形成の第1反応工程における反応体として適当である。該反応体は支持体材料次第で、支持体および基Xの間に、たとえばSi−O−Si結合、Si−O−C結合、Zr−O−Si結合、Zr−O−C結合、Ti−O−Si結合、Ti−O−C結合、Ti−O−Si結合、C−O−C結合、C−O−Si結合、Ti−O−Ti結合、Zr−O−Zr結合、Al−O−Si結合またはAl−O−Al結合を形成する。市場で入手できおよび/または容易に製造できるこれら反応体の代表例には、アリルジメチルクロルシランのほかに、ビニルクロルシラン、オレイン酸またはリノール酸、ナフテン酸およびアミノプロピルメチルジエトキシシランが所属する。
核層形成の際の溶剤としては、クロロホルムのほかに、THF、アルカン、ジエチルエーテルのような容易に乾燥できる他の溶剤および他の固有の溶剤が使用できる。
パラジウムのほかに、他の貴金属、殊に白金のようなVIIIb族の貴金属が、核層形成のために適当である。官能基Kとリガンド交換できる貴金属塩に対する錯生成剤には、シクロオクタジエンおよびベンゾニトリルのほかに、殊にブタジエンおよびその誘導体およびアルキンが所属する。
Ni/W合金のほかに、類似の有利な性質を有するNi/Sn、Co/WおよびCo/Moのような合金、Ni、Cu、Ag、Auおよび白金族金属のような個々の金属、またはCuOおよびCu2Oのような他の金属酸化物の層も、本発明による核層上に設けることができる。銅で被覆する場合、粉末を核層形成後まず酸素化合物生成のためにUV光線で照射し、次に銅浴を用い室温で金属化する。
次に、本発明を2つの特殊な例に基づいてなお詳細に記載する。
例1
ガラス支持体(ガラス粉末)の核層形成
核層形成の2つの工程を次の2つの反応式につき説明する:
式中、垂直の長い線は支持体表面を表わし、浴槽状の構造はシクロオクタジエンを表わす。約60μmおよび200μmの間の範囲内の粒度を有するガラス粉末を、表面を粗面化するために希フッ化水素酸で溶解し、中性に洗浄し、乾燥した。粉末5gを、室温でクロロホルム中のアリルジメチルクロルシランの10%溶液0.5lに加える。混合物を一晩中室温で撹拌する、その際最初の図示反応式により説明した反応が経過した。次に、溶液を分離し、粉末をクロロホルムで洗浄し、次いで乾燥した。
乾燥した粉末を、クロロホルム中の塩化パラジウムのシクロオクタジエン錯体の10%溶液0.5lで、室温で12時間撹拌しながら処理した。その際、二番目の図示反応式により説明した反応が経過した。引き続き、溶液を分離し、粉末をクロロホルムで洗浄し、その後乾燥した。
顕微鏡下の試験は、粉末表面が単一に着色されたことを示し、これは核層形成が均等である、つまり単一な厚さで十分に閉じていることを示唆する。粉末表面および析離した塩化パラジウム量を確かめ、これから塩化パラジウムの層厚を計算し、その際単一な厚さの閉じた核層を基礎にした。計算した層厚は5分子層であった。
例2
核層形成したガラス粉末の金属化
例1で得たガラス粉末10gを、
Na2WO4 49.5g
グルコン酸Na 65.4g
NiSO4.6H2O 6.57g
ジメチルアミンボラン 5.13g
チオ尿素 50mg
H2O 約500mlおよび
25%のアンモニア溶液 約75ml
から構成された溶液中へ入れた。溶液は、9のpH値を有し、80℃に加熱し、撹拌した。10分後、溶液を冷却し、引き続きガラス粉末から分離した。ガラス粉末を水で洗浄し、次いで乾燥した。
光学顕微鏡下で、粉末粒子は均等に金属層で被覆されていたことが認められた。原子吸光分光分析により、金属層は重量比80:20のNi/W合金からなっていて、析離量は0.2gであることが確かめられた。これは、金属化粉末の重量に対して合金2重量%の割合になる。金属化粉末を、保護ガス下でプレートに焼結した。このプレートでの互いに垂直な2方向における4点法による抵抗測定は、単一な抵抗値を生じた(測定値は20□Ωであった)。
Claims (18)
- 貴金属塩が、基Xを有する結合性原子団X−(K)mにより少なくとも1つの酸素橋を介して化学的に支持体表面に結合していて、基Kは貴金属塩を錯化でき、mは1および3の間の整数である、貴金属塩で核層形成した支持体において、Xが炭化水素基、ジルコニル基およびアルミニウム含有基の群から選択されていて、およびKは置換されていないかまたは置換されているアルケニル基、アルキニル基またはアリール基のようなπ官能基であることを特徴とする、貴金属塩で核層形成した支持体。
- mが1であることを特徴とする請求項1記載の支持体。
- 支持体材料が酸化物材料であるかまたは表面に酸化物皮膜を形成でき、ガラス、セラミック、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、ケイ化物、酸化ジルコニウム、酸化ニッケル、アルミン酸塩、酸化アルミニウムおよびプラスチックの群からまたは記述した材料の2種または数種の組合せから選択されていることを特徴とする請求項1または2記載の支持体。
- 支持体が、約100nmおよび約300μmの間の範囲内の粒度を有する粉末として存在することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項記載の支持体。
- 記述した貴金属がVIIIb族の金属であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項記載の支持体。
- 支持体が酸化物の支持体であるか、または酸化物皮膜で被覆された支持体表面を有し、貴金属塩を、一方で酸化物の支持体表面または酸化物皮膜で被覆された支持体表面および他方で貴金属塩と化合することのできる一般式(A)−X−(K)m[式中Aは酸化物上の水和物皮膜と酸素橋の形成下に基Xに反応することができ、Kは貴金属塩を錯化する基であり、nおよびmは1および3の間の整数である]の少なくとも二官能性化合物の媒介によって、化学反応により化学的に支持体表面に結合し、引き続き官能基Kとリガンド交換しうる可溶性の錯貴金属化合物と反応させ支持体を貴金属塩で核層形成する方法において、XおよびKは請求項1において定義したように記載されていることを特徴とする支持体を貴金属塩で核層形成する方法。
- Aがハロゲン、エステル基、カルボキシル基および酸ハロゲン化物基の群から選択されていることを特徴とする請求項6記載の方法。
- 少なくとも二官能性化合物が、アリルジメチルクロルシラン、オレイン酸またはリノール酸、ナフテン酸およびアミノプロピルメチルジエトキシシランの群から選択されていることを特徴とする請求項6または7記載の方法。
- 使用した貴金属塩を、シクロペンタジエンまたはベンゾニトリルである錯生成剤で錯化することを特徴とする請求項6から8までのいずれか1項記載の方法。
- 支持体材料を請求項3に記載した材料の1つから選択することを特徴とする請求項6から9までのいずれか1項記載の方法。
- 支持体を核層形成前に、アルカリ金属水酸化物、殊に水酸化ナトリウムのような溶解剤、またはフッ化水素酸溶液のようなフッ化水素酸含有溶液またはHF/NH4F混合物含有溶液で処理することを特徴とする請求項6から10までのいずれか1項記載の方法。
- 核層が金属層で被覆されておりかつ化学的に請求項1、2または5のいずれか1項により粉末表面に結合されている、貴金属塩で核層形成された粉末。
- 粉末が、請求項3に開示された材料の1つからなることを特徴とする請求項12記載の粉末。
- 金属層が、Ni/W、Ni/Sn、Co/WおよびCo/Moのような合金、Ni、Cu、Ag、Auおよび白金族金属のような個々の金属、またはCuOおよびCu2Oのような金属酸化物を含有することを特徴とする請求項12または13記載の粉末。
- 約100nmおよび約300μmの間の範囲内の粒度を有することを特徴とする請求項12から14までのいずれか1項記載の粉末。
- 粉末表面を貴金属塩で核層形成し、粉末表面に化学的に結合させ、引き続き無電流金属化する、粉末の金属化方法において、粉末をまず請求項6から11までのいずれか1項記載の方法により核層形成し、引き続き設けるべき少なくとも1種の金属の少なくとも1種の塩およびその還元電位が1種の塩ないしは数種の塩に調整されている還元剤を含有する浴中で無電流金属化することを特徴とする粉末の金属化方法。
- 殊に連続的である導電性の相を有する焼結された、2相材料を製造するための請求項16に記載の金属化された粉末の使用。
- 電気抵抗を、網目細工様に構成された金属相の体積割合により調節することができる、焼結された、2相材料を製造するための請求項16に記載の金属化された粉末の使用。
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