【コラム】オンライン・インライン表面処理分析ガイド
2021/11/08
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表面処理とは何ですか?
表面処理とは、特定の性質を得るため、あるワークピースの表面を変化させることを主な目的とした、一連の工業プロセスです。これは、処理対象の材料を除去、変化、追加、または再形成することを目的として、化学的、機械的、あるいは電子的に実施することができます。
表面処理を用いる産業
表面処理技術は、工業部品(例:金属、ウェハー、工具など)を製造するほとんどの産業で使用されています。表面処理プロセスの使用は世界的に増加傾向にあり、今後さらなる成長が見込まれています。Grand View Research(2019年)が発表した記事では、金属表面処理薬品の市場規模は2025年までに135億2000万米ドルに成長すると予測されています。
表面処理と聞くと、多くの人は研磨やサンディングを思い浮かべますが、それだけにとどまりません。複数の産業が、最高の製品品質を得ることを主な目的として、異なるプロセスを用いて表面を処理しています。Grand View Researchによると、金属表面処理薬品において最大の市場シェアを持つ上位3つの産業は、自動車・航空宇宙、半導体、そして金属産業(例:産業機械、建設)です。
図1(金属表面処理薬品市場:2021年までの世界予測より転用)は、表面処理が主に自動車産業で使用されていることを示しています。ここでは、電気めっきと無電解めっきが、腐食から保護するために使用される主要なプロセスです。電気めっきプロセスは、電気を用いて、ある材料(例:銅)を別の材料(例:ニッケル)の薄層でコーティングすることから成ります。無電解めっきは、浴中の金属陽イオンを還元し、非導電性表面上であっても均一な層として堆積させる化学プロセスによって達成されます。
次いで、電子・電子部品やシリコンウェハーの製造・表面洗浄プロセスを含む半導体産業が挙げられます。この産業には、(無電解めっきなどの)めっきプロセスと化学洗浄浴の両方が関わります。化学洗浄浴は、ここではウェハー表面からあらゆる汚染物質を除去するために使用されます。
最後に、私たちの現代社会が依存するインフラを構築する役割を担う金属産業が挙げられます。ここでは、金属を耐食性・耐熱性にするため、亜鉛めっきプロセスが使用されます。亜鉛めっきとは、酸化を起こさせない保護的な亜鉛コーティングを施すことで、鉄や鋼(および他の金属)に施される防食措置です。亜鉛はまた犠牲陽極としても機能し、亜鉛めっき表面に傷が付いた場合であっても、その下地の金属を保護し続けます。酸洗浴も、この産業にとってもう一つの一般的な表面処理プロセスです。この酸性浴は、熱間圧延ライン中に表面に形成された酸化層を除去するために使用されます。基材の鋼が過剰に酸洗いされると、金属表面のピッティング(孔食)が生じ、その後のめっき工程において望ましくない粗く水ぶくれ状のコーティングにつながるとともに、酸洗浴に使用される酸(例:HCl)も過剰に消費されます。
単なる装飾的コーティングにとどまらない
見た目は重要でしょうか?製品に関して言えば、間違いなく重要です!製品表面が処理される理由の一つは、消費者にとってより好ましい外観を持たせるためですが、見た目を超えたより技術的な理由もあります。表面処理プロセスは幅広い産業で使用されているため、最終製品の用途に応じてさまざまな目的を果たします。
半導体産業では、部品(例:シリコンウェハー、マイクロエレクトロニクス、プリント基板など)における欠陥は、最終製品の性能に影響を与える可能性があります。したがって、化学洗浄浴中のすべての成分の適切な濃度を維持することで、再現性のあるエッチングプロセスが確保され、これはこの目的においては表面欠陥の排除を意味します。
別の例には、リン酸塩処理浴が挙げられ、これは自動車・航空宇宙産業で使用される製品部品の耐食性を向上させるために使用されます。このプロセスは、車体構造を環境要因から保護するため、塗装前に実施されます。リン酸塩処理浴もまた、このプロセスに供されるそれぞれの製品において、保護層の正確な(かつ均一な)厚みを保証するため、一定に保つ必要があります。
プロセス分析技術(PAT)がどのようにリアルタイムでの意思決定のため分析測定をプロセスに直接もたらし、コーティング浴・処理浴の高いレベルの管理を確保し、プラント要員への不必要なリスクを排除するかについての、無料ウェビナーをぜひご覧ください。表面処理産業における最適化された浴の化学組成とPATの利点を実証する、実世界の事例研究や現場実証済みの応用例について学ぶことができます。
表面処理プロセスにおける課題:日常の浴管理
どのようなプロセスにも当てはまることですが、表面処理にも改善可能な日々の課題があります。改善は、浴組成と、それが最終製品に与える影響を把握することによってのみ可能になります。一般的に、化学浴の濃度モニタリングは、現場の実験室(場合によっては現場外の受託分析実験室)における手動サンプリングと滴定によって行われます。この方法は機能しますが、サンプル採取から最終結果が得られるまでに長い待ち時間が生じる可能性があり、したがって結果はもはや現在のプロセス条件を代表するものではなくなります。この遅延のため、浴の補充は成分の過剰投与または過少投与によって損なわれる可能性があり、これは最適とは言えない浴組成、そしてそれに伴う製品品質につながります(図2)。
古いデータに基づく手動での浴分析と薬品投与は、浴用薬品の過剰使用または品質不十分な製品の生産のいずれかにより製造業者が損失を被るため、会社の収益に直接影響を与えます。めっき浴の容量が大きいほど、使用される薬品のコストも大きくなります。表面処理浴は、3,500 L(1,000ガロン)以上に達することもあります。したがって、不必要なコストと廃棄物を削減しながらも最高の品質を提供するため、薬品投与を最適化することは極めて重要です。
浴が過剰に投薬されると、必要以上の薬品が使用され、これにより全体の運用コストが増加します。しかしながら、古いデータに基づいて浴が過少投薬されると、最終製品が不良品になる可能性があり、これもまた運用コストの増加をもたらします。
さらに、表面処理プロセスには多くの有害物質が関わります。あらゆるリスク評価を実施する際、最初の対策は個人用保護具(PPE)の使用ですが、あらゆる潜在的な曝露リスクは、理想的にはプロセス自体から工学的に排除されるべきです。
オンラインまたはインラインプロセスアナライザーによる浴成分の自動分析は、使用される化学物質に伴う危険性へのプラント要員の曝露リスクを完全に排除するとともに、サンプルの事前調整とサンプリング自体も担います。閉ループ制御により、迅速な測定が得られ、これがプロセス調整の最適化にとって迅速な結果と応答時間につながります。
解決策:自動化されたプロセス分析で、より安全かつ効率的に運用する
手動滴定によるプロセス分析には、通常複数の段階が必要です:サンプル採取、サンプルの事前調整、容量操作、算出、結果の記録・確認、そして最終的にプロセスへのフィードバック送信です。これらすべてを、オンライン・インライン分析を使用することで完全に排除することができます。
この利点は非常に明白です。手動での取り扱い段階を制限することで、有害な化学物質への曝露リスクは排除されます。サンプリング誤差、容量誤差、そして分析者ごとの終点の曖昧さは、もはや問題ではなくなります。さらに、サンプリングは時間ベースで実施することができ、手動的方法よりも頻繁に行うようプログラムすることが可能であり、これによりはるかに優れたプロセス制御が実現します。
このアナライザーは、老朽化する浴への薬品の正しい投与量について結果を直接フィードバックすることにより、プロセスを完全に制御するために使用することができます。データは自動的に記録・算出されます。画面上のプロットや信号は、逸脱したプロセス条件について警告を発するとともに、浴の問題をオペレーターに通知するアラーム出力も備えています。ユーザーインターフェースはシンプルかつ直感的な操作でプログラムされており、非化学者であっても操作することができます。
表面処理プロセスにおけるオンライン・インライン分析の利点:
- 手作業の削減―時間とコストの節約
- より安全な作業環境―有害化学物質との接触の回避
- プロセス変化へのより速い応答時間―より優れた製品品質
- 最適化された薬品消費―廃棄物の削減、コストの削減
Metrohm Process Analyticsは、プロセス分析・最適化において45年以上の経験を有しています。以下の例は、さまざまな表面処理プロセス向けにインライン・オンラインプロセスアナライザーを構成する当社の専門知識を示しています。
インライン、オンライン、アトライン、オフライン測定の違いについては、過去のブログ記事をご覧ください。
洗浄浴・エッチング浴の自動モニタリング
金属表面には、傷、不純物、その他のさらなる製造プロセス(例:めっきや塗装)を妨げる可能性のある欠陥が生じることがあります。したがって、洗浄浴・エッチング浴は、清潔で研磨された、損傷のない表面を得るための重要な工程です。
従来、これらの浴用薬品は、プロセスからサンプルを採取した後、実験室でオフラインにて測定されます。しかしながら、先述の通り、手動での実験室的手法は、プロセス変化(例:反応混合物、湿度水準など)が生じた場合、長い応答時間をもたらし、サンプル前処理も誤差を招き分析の精度を損なう可能性があります。さらに、アルカリ度、水酸化アンモニウム、過酸化水素などを含む複数のパラメータを分析するには異なる操作手順を導入する必要があるため、かなり煩雑になる可能性もあります。
洗浄浴のもう一つの例として、通常硫酸、フッ化水素酸、硝酸から成る混酸浴が挙げられます。滴定は、分析されたサンプルの酸価のみを提供するため、浴中に特定の酸がどれだけ存在するかを知ることはできません。しかしながら、近赤外分光法(NIRS)は、それぞれの酸を個別にモニタリングするのに最適な分析技術です。
試薬不要のNIRS XDS Process Analyzerは、プロセスからのリアルタイムスペクトルデータを一次的方法(例:滴定)と比較することを可能にし、これによりプロセス最適化のための、シンプルながらも不可欠なモデルを構築できます。NIRSは経済的かつ迅速であり、非侵襲的で非破壊的な定性・定量分析を可能にします。インライン分光技術の統合により、オペレーターは製造プロセスに対するより高い制御を得ることができ、全体的な安全性も向上します。
NIRSプロセスアナライザーに加え、Metrohm Process Analyticsはフローセルを設計・カスタマイズすることもできます(図5)。これらは、既存のセットアップを変更する必要なく容易に設置できるよう、現場に既に設置されている配管にクランプで取り付けることができます。
詳しくは、下記プロセスアプリケーションノートをご覧ください。
リン酸塩処理浴の自動モニタリング
リン酸塩処理プロセスは、下地の金属にしっかりと密着する、硬質で電気的に非導電性の表面コーティングを生み出します。この層は腐食から保護し、後続の塗料や有機仕上げ材の密着性を向上させます。
リン酸塩処理は2つの部分から成ります:表面粗さを高めるリン酸によるエッチング反応、そしてアルカリリン酸塩と先に生成された金属イオンとの間で表面において生じる2つ目の反応です。このコーティングはかなり薄く、基本的な防食効果しか提供しません。リン酸塩処理浴に金属陽イオン(亜鉛、マンガン、カルシウムなど)を添加すると、7~15倍厚いコーティング厚を持つ、非常に耐性の高いリン酸亜鉛が形成され、屋外使用に完璧に適したものになります。
洗浄浴、脱脂浴、すすぎ浴において、そしてリン酸塩処理浴自体においても(図6)、プロセスに関わるさまざまなパラメータを安定に保つ必要があります。電気伝導度、pH値、遊離アルカリ度、および全アルカリ度は、脱脂浴・すすぎ浴において決定すべき主要なパラメータの一部です。リン酸塩処理浴では、遊離酸・全酸、促進剤、亜鉛、およびフッ化物がモニタリングされます。Metrohm Process Analytics製2060 Process Analyzer(図7)は、これらすべての重要なパラメータを同時にモニタリング、記録、文書化します。単一のシステム内における異なる分析方法の組み合わせ、そして整理されたユーザーインターフェースを介した直感的な操作性により、プロセス全体の簡便かつ確実なモニタリングが確保されます。
詳しくは、下記の関連プロセスアプリケーションノートをご覧ください。
まとめ
Metrohm Process Analyticsのオンライン・インラインプロセスアナライザーは、以下の包括的な利点を提供するため、表面処理プロセスの分析を自動化するための理想的なソリューションです:
- 手動サンプリングが不要となり、要員が危険な化学物質にさらされる機会が減少する
- プロセスウィンドウを厳格化することで浴の寿命を延長(必要な薬品の削減)
- より迅速かつ精密なデータによりダウンタイムのリスクを最小化
- プロセス自動化により最終製品要件への準拠がより容易に
