JP2008311374A - めっき／蒸着複合膜及びその製造方法、並びにパワー半導体モジュール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】めっき膜と蒸着膜との間の密着性に優れためっき／蒸着複合膜及びその製造方法、並びにパワー半導体モジュール装置を提供すること。
【解決手段】めっき／蒸着複合膜１は、めっき膜１１上に蒸着膜１２を形成してなる。めっき膜１１の定常領域における最も組成比が高い第１成分元素の組成比をＡ₁（ａｔ％）、２番目に組成比が高い第２成分元素の組成比をＡ₂（ａｔ％）とした場合、めっき膜１１の成分元素と蒸着膜１２の成分元素とが混在する拡散領域における組成比の変化をめっき／蒸着複合膜１の積層方向に見た場合に、めっき膜１１の第１成分元素の組成比が０．１Ａ₁（ａｔ％）となる位置とめっき膜１１の第２成分元素の組成比が０．１Ａ₂（ａｔ％）となる位置との間の距離である拡散差距離は、５ｎｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、めっき膜上に蒸着膜を形成してなるめっき／蒸着複合膜及びその製造方法、並びにめっき／蒸着複合膜を用いたパワー半導体モジュール装置に関する。

一般に、金属等の基材に対してめっき膜を形成した後、さらにめっき膜上に表面処理等の加工を施す機会は少ない。しかし、めっき膜上に塗膜等の表面処理を行う場合、金属等の基材に対する表面処理と比較して密着性に劣ることが一般に知られている。そのため、めっき膜表面を化学的、物理的にエッチングしたり、ポリアミド等の接着剤を塗布したりすることにより、密着性を向上させることが知られている。

また、特許文献１には、めっきされた複合材料を半田層等の接合層によって他の物体に接合する場合において、めっき層におけるクラック、めっき層の膨れ・剥離等の発生を抑制するため、めっき層に対して乾燥処理を行うことが示されている。
また、特許文献２には、半田層の濡れ性向上及びボイド率の低減を図るため、ＮｉＰめっき層の表面を表面酸化層よりも深く除去して平滑化した上で、ＮｉＰめっき層上にＮｉめっきを施すことが示されている。

特開２００２−２０６１７０号公報 特開２００４−１７２３７８号公報

例えば、パワー半導体モジュール装置において、パワー半導体モジュールと冷却器との間を電気的に絶縁すると共に熱交換を行うための電気絶縁性熱伝導膜として、アモルファス膜を適用しようとした場合、高い絶縁耐圧が要求されるため、厚膜化が不可欠である。ここで、パワー半導体モジュールのヒートスプレッダ部には、半導体チップとの半田濡れ性を向上させるためにＮｉＰめっき膜が施されている。このＮｉＰめっき膜上に電気絶縁性伝導性膜としてのアモルファス膜を蒸着により形成した場合、ＮｉＰめっき膜との密着性が不足し、成膜後直ちに剥離してしまうという問題がある。

そこで、上記の問題を解決するために、ＮｉＰめっき膜表面を化学的、物理的にエッチングしたり、ポリアミド等の接着剤を塗布したりすることにより密着性を向上させる公知の技術を用いることが考えられる。しかしながら、このような手法を用いた場合においても、めっき膜上に形成された蒸着膜の密着性を充分に確保することはできず、また放熱面との接触面積が減少したり、熱伝導性に劣る接着剤が介在したりする等の別の問題も発生する。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、めっき膜と蒸着膜との間の密着性に優れためっき／蒸着複合膜及びその製造方法、並びにめっき／蒸着複合膜を用いたパワー半導体モジュール装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、めっき膜上に蒸着膜を形成してなるめっき／蒸着複合膜において、
上記めっき膜の定常領域における最も組成比が高い第１成分元素の組成比をＡ₁（ａｔ％）、２番目に組成比が高い第２成分元素の組成比をＡ₂（ａｔ％）とした場合、
上記めっき膜の成分元素と上記蒸着膜の成分元素とが混在する拡散領域における組成比の変化を上記めっき／蒸着複合膜の積層方向に見た場合に、上記めっき膜の上記第１成分元素の組成比が０．１Ａ₁（ａｔ％）となる位置と上記めっき膜の上記第２成分元素の組成比が０．１Ａ₂（ａｔ％）となる位置との間の距離である拡散距離差は、５ｎｍ以下であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜にある（請求項１）。

本発明のめっき／蒸着複合膜は、上記めっき膜上に上記蒸着膜を形成してなる複合膜であり、上記めっき膜及び上記蒸着膜の成分元素が混在・拡散した状態にある上記拡散領域が存在する。そして、この拡散領域における組成比の変化を上記めっき／蒸着複合膜の積層方向に見た場合に、上記拡散距離差は５ｎｍ以下である。すなわち、上記拡散領域において、上記めっき膜の上記第１成分元素の組成比が定常領域の組成比に比べて１／１０となる位置と上記めっき膜の上記第２成分元素の組成比が定常領域の組成比に比べて１／１０となる位置との間の距離が５ｎｍ以下である。

そのため、上記拡散領域において、上記めっき膜の主な成分元素となる上記第１成分元素及び上記第２成分元素の拡散状態にほとんど差がなく、上記めっき膜の成分元素が上記蒸着膜側にほぼ均一に拡散された状態となる。これにより、上記めっき／蒸着複合膜は、上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性を充分に確保することができ、上記蒸着膜の剥離等の不具合を抑制することができる。

このように、本発明によれば、めっき膜と蒸着膜との間の密着性に優れためっき／蒸着複合膜を提供することができる。

第２の発明は、めっき膜上に蒸着膜を形成してなるめっき／蒸着複合膜を製造する方法であって、
基材上に上記めっき膜を形成するめっき工程と、
上記めっき膜上に上記蒸着膜を形成する蒸着工程とを有し、
該蒸着工程の前工程として、上記めっき膜の酸化を抑制できる雰囲気中において、上記めっき膜をアニールするアニール工程を行い、
該アニール工程におけるアニール温度ａ（℃）と上記蒸着工程における上記蒸着膜の蒸着温度ｂ（℃）とは、（ｂ−５０）≦ａ≦（ｂ＋３００）の関係を満たすことを特徴とするめっき／蒸着複合膜の製造方法にある（請求項８）。

本発明のめっき／蒸着複合膜の製造方法においては、上記めっき工程と上記蒸着工程とを行い、該蒸着工程の前工程として、上記めっき膜の酸化を抑制できる雰囲気中において、上記めっき膜をアニールするアニール工程を行う。そして、該アニール工程におけるアニール温度ａ（℃）と上記蒸着工程における上記蒸着膜の蒸着温度ｂ（℃）とは、（ｂ−５０）≦ａ≦（ｂ＋３００）の関係を満たす。

すなわち、上記蒸着工程前の上記めっき膜に対して、上記特定の雰囲気中、上記特定の温度でアニールを行うことにより、上記めっき膜中の水分等のガスを外部へと発生させて放出することができる。そのため、上記蒸着工程において、上記めっき膜上に上記蒸着膜を蒸着する際に、上記めっき膜表面からのガスの発生（アウトガス）を抑制することができる。これにより、上記めっき膜上に上記蒸着膜を密着性良く成膜することができる。

このように、本発明の製造方法によれば、上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性に優れた上記めっき／蒸着複合膜を得ることができる。

第３の発明は、パワー半導体モジュールと該パワー半導体モジュールとの熱交換を行うための熱交換器とを有するパワー半導体モジュール装置において、
上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間には、上記第１の発明のめっき／蒸着複合膜が形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール装置にある（請求項１４）。

本発明のパワー半導体モジュール装置は、上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間に、上記第１の発明のめっき／蒸着複合膜、つまり上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性に優れためっき／蒸着複合膜が形成されている。そのため、上記パワー半導体モジュール装置は、耐久性・信頼性に優れたものとなる。

また、上記めっき／蒸着複合膜は、上記パワー半導体モジュール側に設けてもよいし、上記熱交換器側に設けてもよい。
例えば、上記パワー半導体モジュール側に設ける構成とした場合、後述のごとく、上記パワー半導体モジュールに内蔵される半導体チップとの半田濡れ性を向上させるための上記めっき膜を形成し、そのめっき膜上に上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間の電気的な絶縁を確保すると共に熱交換を行うための電気絶縁性熱伝導膜としての上記蒸着膜を形成することができる。
これにより、上記パワー半導体モジュール装置は、上記めっき／蒸着複合膜によって、上記パワー半導体モジュールに内蔵される半導体チップとの半田濡れ性を向上させ、上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間の電気的な絶縁を充分に確保することができると共に熱交換を効率よく行うことができる。

上記第１の発明において、上記めっき膜の定常領域とは、上記蒸着膜の成分元素が拡散等によって混在することなく、上記めっき膜の成分元素のみで構成された領域のことをいう。

また、上記拡散距離差が５ｎｍを超える場合には、上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性を充分に確保することができず、上記蒸着膜の剥離等の不具合が発生するおそれがある。

また、上記拡散距離差は、１ｎｍ以下であることがより好ましい（請求項２）。
この場合には、上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性をより一層充分に確保することができる。

また、上記めっき／蒸着複合膜は、パワー半導体モジュールと該パワー半導体モジュールとの熱交換を行うための熱交換器との間に形成されていることが好ましい（請求項３）。
例えば、上記めっき／蒸着複合膜を上記パワー半導体モジュール側に設ける場合、後述のごとく、上記パワー半導体モジュールに内蔵される半導体チップとの半田濡れ性を向上させるための上記めっき膜を形成し、そのめっき膜上に上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間の電気的な絶縁を確保すると共に熱交換を行うための電気絶縁性熱伝導膜としての上記蒸着膜を形成した構成とすることができる。
なお、上記めっき／蒸着複合膜は、上記熱交換器側に設けてもよい。

また、上記めっき膜は、Ｎｉ系めっき膜であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、例えば、上記パワー半導体モジュールに内蔵される半導体チップとの半田濡れ性を向上させることができる。

また、上記めっき膜は、ＮｉＰめっき膜であることがより好ましい（請求項５）。
この場合には、例えば、上記パワー半導体モジュールに内蔵される半導体チップとの半田濡れ性をさらに向上させることができる。

また、上記蒸着膜は、アモルファス炭素−窒素−珪素膜であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記蒸着膜は、優れた電気絶縁性・熱伝導性を有するものとなる。そのため、例えば、上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間の電気的な絶縁を確保すると共に熱交換を行うための電気絶縁性熱伝導膜として性能を発揮することができる。

ここで、上記アモルファス炭素−窒素−珪素膜とは、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）及び珪素（Ｓｉ）を含有する非晶質の膜のことをいう。
上記アモルファス炭素−窒素−珪素膜としては、例えば炭素（Ｃ）を２７〜３９ａｔ％、窒素（Ｎ）を８〜２２ａｔ％、珪素（Ｓｉ）を２０〜２２ａｔ％含有した組成のものを用いることができる。さらに、炭素、窒素及び珪素に加えて水素（Ｈ）を２９〜３３ａｔ％含有した組成のものを用いることもできる。もちろん、これ以外の組成のものを用いることもできる。

また、上記アモルファス炭素−窒素−珪素膜は、プラズマＣＶＤ法により形成されてなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記蒸着膜としての上記アモルファス炭素−窒素−珪素膜を厚膜化することができ、絶縁耐圧を向上させることができる。そのため、上記蒸着膜は、電気絶縁性熱伝導膜としての性能を向上させることができる。

なお、上記めっき膜としては、上記以外にも、Ｎｉめっき膜、ＮｉＢめっき膜、Ｃｕめっき膜、Ａｇめっき膜、Ａｕめっき膜、Ｒｈめっき膜、Ｓｎめっき膜、Ｓｎ−Ａｇめっき膜、Ｓｎ−Ｃｕめっき膜、Ｓｉ−Ｂｉめっき膜等を用いることができる。
また、上記蒸着膜としては、上記以外にも、ＳｉＮ膜、ＡｌＮ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、アモルファス炭素膜、アモルファス炭素−珪素膜等を用いることができる。

上記第２の発明において、上記アニール工程では、上記めっき膜の酸化を充分に抑制することができない雰囲気中で上記めっき膜をアニールした場合には、例えば、上記めっき膜の半田濡れ性が低下するおそれがある。

また、上記アニール工程では、１０００Ｐａ以下の低圧雰囲気中、水素雰囲気中又は窒素雰囲気中において、上記めっき膜をアニールすることが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記めっき膜表面の酸化を防止することができる。そのため、上記蒸着工程において、上記めっき膜上に上記蒸着膜をさらに密着性良く成膜することができる。

また、上記アニール温度ａ（℃）と上記蒸着温度ｂ（℃）との関係において、ａ＜（ｂ−５０）の場合には、上記めっき膜と上記蒸着膜との間の密着性が低下するおそれがある。一方、ａ＞（ｂ＋３００）の場合には、例えば、上記めっき膜の半田濡れ性が低下するおそれがある。

また、上記アニール工程では、できる限り上記めっき膜中の水分等のガスを外部へと発生させて放出し、上記蒸着工程において上記めっき膜表面からのガスの発生（アウトガス）がなくなるように、上記めっき膜に対してアニールする時間を設定することが好ましい。

（実施例１）
以下、本発明のめっき／蒸着複合膜におけるめっき膜と蒸着膜との間の密着性を検証した実験について説明する。
本例において作製するめっき／蒸着複合膜１は、図１に示すごとく、所望の基材２に形成された複合膜であり、めっきすることによって形成されためっき膜１１と蒸着することによって形成された蒸着膜１２とにより構成されている。

なお、本例では、めっき／蒸着複合膜１を形成する基材２として、Ｃｕ板（ＪＩＳ規格名：Ｃ１０２０）を用いる。また、めっき膜１１は、ＮｉＰ合金めっき膜（以下、適宜、単にＮｉＰめっき膜という）である。また、蒸着膜１２は、アモルファス窒素−炭素−珪素膜（以下、適宜、単にアモルファス膜という）である。

＜めっき膜の形成＞
まず、基材となるＣｕ板上に、めっき膜としてのＮｉＰめっき膜（上村工業製、ニムデンＤＸ）を無電解めっき法により形成した（以下、これを基準試料とする）。本例では、ＮｉＰめっき膜の膜厚を７μｍとした。

＜アニール時間の決定＞
次いで、上記基準試料について、ヘリウム雰囲気下において室温から３５０℃まで昇温（昇温速度：１０℃／ｍｉｎ）した後、３５０℃で１時間保持する条件で加熱（アニール）した。そして、このときのＮｉＰめっき膜表面からの発生気体を昇温脱離質量分析（ＴＰＤ−ＭＳ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により測定した。

その結果を図２に示す。同図から、水分（Ｈ₂Ｏ）については、加熱開始直後から発生が認められ、３５０℃で等温保持してから約２５分経過後に発生が収束することがわかった。また、二酸化炭素（ＣＯ₂）については、５０℃付近から発生が認められ、３５０℃で等温保持してから約３５分経過後に発生が収束することがわかった。

次いで、上記基準試料について、ＳＥＭ装置内真空下において室温から３５０℃まで昇温（昇温速度１０℃／ｍｉｎ）した後、３５０℃で１時間保持する条件で加熱（アニール）した。そして、加熱前後のＮｉＰめっき膜について、電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法により結晶性を評価した。
加熱前後におけるＮｉＰめっき膜のＳＥＭ像及び回折パターンを図３に示す。同図から、ＮｉＰめっき膜は、加熱前にはアモルファス構造を有し、加熱後には結晶性を有することがわかった。

以上の結果から、上記基準試料を３５０℃で１時間保持することにより、ＮｉＰめっき膜からの気体の発生が収束することが確認された（実験結果１）。また、ＮｉＰめっき膜は、結晶化した状態で安定化することが確認された（実験結果２）。

次いで、上記基準試料について、ヘリウム雰囲気下において室温から２００℃まで昇温（昇温速度：１０℃／ｍｉｎ）した後、２００℃で６時間保持する条件で加熱（アニール）した。そして、このときのＮｉＰめっき膜表面からの発生気体をＴＰＤ−ＭＳ法により測定した。
その結果を図４に示す。同図から、気体（水分（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂））の発生は、２００℃で等温保持してから約５時間３０分経過後に収束することがわかった。

次いで、上記基準試料について、ＳＥＭ装置内真空下において室温から２００℃まで昇温（昇温速度１０℃／ｍｉｎ）した後、２００℃で５時間３０分保持する条件で加熱（アニール）した。そして、加熱前後のＮｉＰめっき膜について、ＥＢＳＤ法により結晶性を評価した。
加熱前後におけるＮｉＰめっき膜のＳＥＭ像及び回折パターンを図５に示す。同図から、ＮｉＰめっき膜は、加熱前及び加熱後共にアモルファス構造を有することがわかった。

以上の結果から、上記基準試料を２００℃で６時間保持することにより、ＮｉＰめっき膜からの気体の発生が収束することが確認された（実験結果３）。また、ＮｉＰめっき膜は、アモルファス構造を維持することが確認された（実験結果４）。

なお、ＮｉＰめっき膜表面からの発生気体の測定に用いたＴＰＤ−ＭＳ法とは、温度コントローラ付の特殊加熱装置（メーカ：東レリサーチセンター、型式：Ｓｍａｌｌ−４）にＭＳ（Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置（メーカ：島津製作所、型式：ＧＣ／ＭＳ ＱＰ５０５０Ａ）を直結して、加熱時に試料から発生する気体の質量数ごとの濃度変化を温度の関数として追跡する手法である。

また、加熱前後におけるＮｉＰめっき膜の結晶性評価に用いたＥＢＳＤ法には、熱電界放射型走査電子顕微鏡（ＴＦＥ−ＳＥＭ）（メーカ：日本電子、型式：ＪＳＭ−６５００Ｆ）、ＯＩＭ方位解析装置（メーカ：ＴＳＬ、型式：ＤｉｇｉＶｉｅｗII（ＤＶＣ １４１２Ｍ）スロースキャンＣＣＤカメラ、ＯＩＭ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｖｅｒ．４．６ｘ、ＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｖｅｒ．４．６ｘ）を使用した。分析条件は、加速電圧１５．０ｋＶ、照射電流１．５ｎＡ、試料傾斜７０ｄｅｇ．で実施した。

＜蒸着膜の形成＞
次いで、ＮｉＰめっき膜表面に、蒸着膜としてのアモルファス炭素−窒素−珪素膜をバイポーラ型パルスプラズマＣＶＤ法により形成した。
本例では、上記基準試料に対してアニールを行ったサンプル（試料Ｅ１〜Ｅ３）を準備し、ＮｉＰめっき膜表面にアモルファス膜を形成した。また、比較として、基準試料に対してアニールを行わなかったサンプル（試料Ｃ１〜Ｃ３）を準備し、同様にＮｉＰめっき膜表面にアモルファス膜を形成した。なお、各サンプルのアニール条件（雰囲気、圧力、温度・時間）、蒸着膜の成膜条件（膜厚、成膜温度）については、表１に示すとおりである。

ここで、バイポーラ型パルスプラズマとは、負印加による負グロー放電とわずかな正印加とをパルス状に繰り返すことにより発生させるプラズマのことである。バイポーラ型パルスプラズマを用いることにより、高い絶縁性を持つアモルファス膜についても、アーク放電による膜の損傷や破壊を防止しつつ、良好な膜を形成することが可能である。なぜなら、負印加のみの直流プラズマにおいては、絶縁膜が形成されると放電維持電流が流れなくなり、放電が不安定になってしまう。しかし、バイポーラ型パルスプラズマにおいては、わずかな正印加が絶縁膜への帯電を防止し、厚膜時においても良好な放電が維持できるからである。

バイポーラ型パルスプラズマＣＶＤ法によるアモルファス膜の形成は、まず、密閉容器内に母材となるＮｉＰめっき膜を施したＣｕ板（試料Ｃ１〜Ｃ３、Ｅ１〜Ｅ３）を配置し、０．００１Ｐａ以下まで真空排気を行った。
次いで、ヒーターとプラズマエネルギーとを用いてＮｉＰめっき膜を施したＣｕ板を昇温させた。そして、Ｈ₂とＡｒとの混合ガスをグロー放電させイオン衝撃によりＮｉＰめっき膜表面をクリーニングした。なお、このクリーニングは、ＮｉＰめっき膜表面の汚れを除去しＮｉＰめっき膜表面に均一な膜を形成することを目的とする。これにより、形成するアモルファス膜の密着性をさらに向上させることができる。

さらに、密閉容器内に蒸着膜形成ガスを導入し、グロー放電させた。これにより、ＮｉＰめっき膜表面にアモルファス膜を形成させた。形成後、大気中に取り出せる温度まで真空容器とサンプルとを冷却した。最後に、サンプルを真空容器内から取り出した。
なお、蒸着膜形成ガスは、原料ガスと雰囲気ガスとからなる。本例では、原料ガスとして、ＣＨ₄と（（ＣＨ₃）₃Ｓｉ）₂ＮＨとからなる混合ガスを用いた。また、雰囲気ガスとして、Ｈ₂とＮ₂とからなる混合ガスを用いた。

次に、各サンプル（試料Ｃ１〜Ｃ３、Ｅ１〜Ｅ３）について、めっき膜（ＮｉＰめっき膜）と蒸着膜（アモルファス炭素−窒素−珪素膜）との間の密着性を評価した。
密着性は、まず成膜後炉外に取り出した段階での剥離の有無を目視にて観察した。この段階で全面剥離を生じたサンプルは、密着力評価として×とした。また、部分剥離を生じたサンプルについては、密着力評価として△とした。
また、剥離を生じなかったサンプルについては、次のような密着力評価を実施し、２ｋｇ／ｍｍ^２以上の密着力がある場合は○、ない場合は×とした。具体的には、図６に示すごとく、蒸着膜１２に対してＭ４ナット３２をエポキシ接着剤３１により接着し（接着面積１２ｍｍ²）、Ｍ４ナット３２に対して所定の引張荷重を加えて引張試験を行った。

各サンプル（試料Ｃ１〜Ｃ３、Ｅ１〜Ｅ３）の密着力評価結果を表２に示す。
アニールを行わなかった試料Ｃ１、Ｃ３は、成膜直後に蒸着膜の剥離が生じ、密着力が低いことがわかった。また、試料Ｃ２は、蒸着膜の膜厚が薄いために剥離を生じなかったが、試料Ｃ１、Ｃ３と同様に密着力が低いことがわかった。
一方、アニールを行った試料Ｅ１〜Ｅ３は、蒸着膜の剥離が見られず、密着力を充分に確保しており、めっき膜上に蒸着膜を密着性良く成膜することが可能であることがわかった。

また、上述の実験結果１、２及び試料Ｃ１、試料Ｅ１の結果から、めっき膜表面からのアウトガスと、ＮｉＰめっき膜のアモルファスから結晶への構造変化の相乗作用は、著しい密着性の低下をもたらすことがわかった。
一方、上述の実験結果３、４及び試料Ｃ３、試料Ｅ１の結果から、ＮｉＰめっき膜表面からのアウトガスの作用のみであっても、密着性の低下をもたらすことがわかった。
以上の結果から、必要とされる密着力をアニール温度と蒸着膜の成膜温度で制御できることがわかった。

また、試料Ｅ１〜３におけるアニール雰囲気の比較から、少なくともめっき膜表面の酸化を防止できる雰囲気下でアニールをすれば、蒸着膜の密着性を確保できることがわかった。

次に、試料Ｃ２及び試料Ｅ１について、高分解能透過型電子顕微鏡（メーカ：日立製作所、型式：Ｈ−９０００ＵＨＲ）による断面観察を実施した。断面観察の測定条件は、加速電圧３００ｋＶとした。

その結果を図７に示す。低密着性の試料Ｃ２においては、断面観察で界面にコントラストの薄い異常層が認められた。この異常層は、蒸着膜成膜中に界面に溜まった水分等の抜けた後である可能性がある。一方、高密着性の試料Ｅ１においては、そうした層は界面に認められなかった。よって、アニールを適切に実施しないと、界面にこのような異常層ができてしまい、蒸着膜の密着性を低下する原因となっているものと考えられる。

次に、試料Ｃ２及び試料Ｅ１について、電界放出型電子顕微鏡（メーカ：日本電子、型式：ＪＥＭ２１００Ｆ）とＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（メーカ：ＪＥＯＬ、型式：ＪＥＤ−２３００Ｔ）による断面組成分析を実施した。試料作製は機械研磨＋イオンミリング、断面組成分析の測定条件は、加速電圧２００ｋＶ、ビームスポットサイズ１．０ｎｍφとした。

そして、断面組成分析結果より、めっき膜の定常領域における組成比を求めた。ｎ数は５とした。試料Ｅ１のめっき膜は、表３に示すごとく、最も組成比が高い第１成分元素がＮｉ（ニッケル）であり、その組成比は８８．５ａｔ％であった。また、２番目に組成比が高い第２成分元素がＰ（リン）であり、その組成比は９．０ａｔ％であった。

次いで、めっき膜と蒸着膜との界面、つまりめっき膜の成分元素と蒸着膜の成分元素とが互いに拡散した拡散領域について断面組成分析を実施し、図８に示すごとく、組成比に関するプロファイルを得た。なお、図８（ａ）は試料Ｃ２、図８（ｂ）は試料Ｅ１の断面組成分析結果である。また、プロファイルした成分元素は、めっき膜に含まれるＮｉ、Ｐ、蒸着膜に含まれるＣ、Ｎ、Ｓｉである。また、横軸の距離（ｎｍ）は、任意で設定した位置から蒸着膜側への距離を表している。

次いで、得られたプロファイルから、めっき膜の第１成分元素（Ｎｉ）の組成比が定常領域に比べて１／１０（＝８．８５ａｔ％）となる距離と、めっき膜の第２成分元素（Ｐ）の組成比が定常領域に比べて１／１０（＝０．９ａｔ％）となる距離とを求めた。そして、双方の距離の差（これを拡散距離差という）を求めた。その結果を表４に示す。

表４からわかるように、めっき膜と蒸着膜との密着性の低い試料Ｃ２は、拡散距離差が１０ｎｍであり、めっき膜の第１成分元素（Ｎｉ）と第２成分元素（Ｐ）との拡散状態に差が生じている。これは、図７（ａ）の断面観察における異常層に相当するものと考えられ、これが密着性に悪影響を与えている可能性がある。一方、密着性に優れる試料Ｅ１は、拡散距離差が１ｎｍであり、めっき膜の第１成分元素（Ｎｉ）と第２成分元素（Ｐ）との拡散状態に差がほとんど認められなかった。

このように、アニールの有無が水分等のガスの発生や、めっき膜の結晶化等をもたらし、その結果として界面での拡散へ影響を与え、それが大きくなると密着性の低下をもたらすことが明らかとなった。

（実施例２）
本例は、本発明のめっき／蒸着複合膜をパワー半導体モジュール装置に適用した例である。
本例のめっき／蒸着複合膜は、実施例１と同様に、ＮｉＰめっき膜よりなるめっき膜と、アモルファス炭素−窒素−珪素膜よりなる蒸着膜とにより構成された複合膜であり、アモルファス炭素−窒素−珪素膜は、優れた電気絶縁性・熱伝導性を有する電気絶縁性熱伝導膜である。このめっき／蒸着複合膜をＥＨＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の高電圧系に用いられるパワー半導体モジュール装置に適用した。
以下、その構成について簡単に説明する。

パワー半導体モジュール装置５は、図９、図１０に示すごとく、パワー半導体モジュール５１と内部に冷却流体が流れるアルミ合金板により形成された略管状の液冷器（熱交換器）５２とを有している。液冷器５２の内部には、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が矢印方向に循環して流れている。また、パワー半導体モジュール５１と液冷器５２との間には、めっき／蒸着複合膜１が配置されている。本例では、めっき／蒸着複合膜１は、パワー半導体モジュール５１側に形成されている。また、その製造方法は、実施例１の試料Ｅ１の場合と同様とした。

また、パワー半導体モジュール装置５において、パワー半導体モジュール５１から発生した熱は、めっき／蒸着複合膜１を介して液冷器５２に伝わる。その熱は、液冷器５２から液冷器５２内を循環するＬＬＣに伝わり、さらに放熱部５３へと伝わる。そして、放熱部５３において、ＬＬＣの熱は放熱される。放熱されたＬＬＣは再び液冷器５２の内部を循環する。このようにして、パワー半導体モジュール５１と液冷器５２との間において熱交換を行うことができるよう構成されている。

本例では、パワー半導体モジュール５１と液冷器５２との間に、本発明のめっき／蒸着複合膜１を配置している。そして、めっき／蒸着複合膜１をパワー半導体モジュール５１側に設けた構成としている。これにより、パワー半導体モジュール装置５は、めっき／蒸着複合膜１におけるめっき膜（ＮｉＰめっき膜）によって、パワー半導体モジュール５１に内蔵される半導体チップとの半田濡れ性を向上させることができる。また、めっき／蒸着複合膜１における蒸着膜（アモルファス炭素−窒素−珪素膜）によって、パワー半導体モジュール５１と液冷器５２との間の電気的な絶縁を充分に確保することができると共に熱交換を効率よく行うことができる。

なお、本例では、めっき／蒸着複合膜１と液冷器５２とは、放熱ゲルを介在させて両者を互いに密着させる構成としたが、これに代えて、例えば高熱伝導性接着剤等を介在させる構成とすることもできる。

実施例１における、めっき／蒸着複合膜の構成を示す説明図。 実施例１における、めっき膜のＴＰＤ−ＭＳ分析結果を示す説明図。 実施例１における、めっき膜のＥＢＳＤ分析結果を示す説明図。 実施例１における、めっき膜のＴＰＤ−ＭＳ分析結果を示す説明図。 実施例１における、めっき膜のＥＢＳＤ分析結果を示す説明図。 実施例１における、蒸着膜の密着力評価での引張試験方法を示す説明図。 実施例１における、めっき／蒸着複合膜の断面観察結果を示す説明図。 実施例１における、めっき／蒸着複合膜の断面組成分析結果を示す説明図。 実施例２における、パワー半導体モジュール装置の構成を示す説明図。 図９におけるＢ部分の拡大図。

符号の説明

１ めっき／蒸着複合膜
１１ めっき膜
１２ 蒸着膜
５ パワー半導体モジュール装置

Claims (10)

1. めっき膜上に蒸着膜を形成してなるめっき／蒸着複合膜において、
   上記めっき膜の定常領域における最も組成比が高い第１成分元素の組成比をＡ₁（ａｔ％）、２番目に組成比が高い第２成分元素の組成比をＡ₂（ａｔ％）とした場合、
   上記めっき膜の成分元素と上記蒸着膜の成分元素とが混在する拡散領域における組成比の変化を上記めっき／蒸着複合膜の積層方向に見た場合に、上記めっき膜の上記第１成分元素の組成比が０．１Ａ₁（ａｔ％）となる位置と上記めっき膜の上記第２成分元素の組成比が０．１Ａ₂（ａｔ％）となる位置との間の距離である拡散距離差は、５ｎｍ以下であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
2. 請求項１において、上記拡散距離差は、１ｎｍ以下であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
3. 請求項１又は２において、上記めっき／蒸着複合膜は、パワー半導体モジュールと該パワー半導体モジュールとの熱交換を行うための熱交換器との間に形成されていることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記めっき膜は、Ｎｉ系めっき膜であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記めっき膜は、ＮｉＰめっき膜であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記蒸着膜は、アモルファス炭素−窒素−珪素膜であることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
7. 請求項６において、上記アモルファス炭素−窒素−珪素膜は、プラズマＣＶＤ法により形成されてなることを特徴とするめっき／蒸着複合膜。
8. めっき膜上に蒸着膜を形成してなるめっき／蒸着複合膜を製造する方法であって、
   基材上に上記めっき膜を形成するめっき工程と、
   上記めっき膜上に上記蒸着膜を形成する蒸着工程とを有し、
   該蒸着工程の前工程として、上記めっき膜の酸化を抑制できる雰囲気中において、上記めっき膜をアニールするアニール工程を行い、
   該アニール工程におけるアニール温度ａ（℃）と上記蒸着工程における上記蒸着膜の蒸着温度ｂ（℃）とは、（ｂ−５０）≦ａ≦（ｂ＋３００）の関係を満たすことを特徴とするめっき／蒸着複合膜の製造方法。
9. 請求項８において、上記アニール工程では、１０００Ｐａ以下の低圧雰囲気中、水素雰囲気中又は窒素雰囲気中において、上記めっき膜をアニールすることを特徴とするめっき／蒸着複合膜の製造方法。
10. パワー半導体モジュールと該パワー半導体モジュールとの熱交換を行うための熱交換器とを有するパワー半導体モジュール装置において、
    上記パワー半導体モジュールと上記熱交換器との間には、請求項１〜７のいずれか１項に記載のめっき／蒸着複合膜が形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール装置。