JP2012515836A

JP2012515836A - 熱界面材料用の低圧縮力非シリコーン高熱伝導性配合物及びパッケージ

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Publication number: JP2012515836A
Application number: JP2011548117A
Authority: JP
Inventors: イルバンティ、スシュムナ; ケミンク、ランドール; クマール、ラジニーシュ; オストランダー、スティーブン; シン、プラブジット
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: US20100181663A1; KR20110107853A; TW201037068A; WO2010085604A1; JP5731405B2; US7816785B2; KR101507640B1

Abstract

【課題】熱界面材料用の低圧縮力非シリコーン高熱伝導性配合物及びパッケージを提供する。
【解決手段】半導体デバイス用の改善された熱界面材料を提供する。より具体的には、熱界面材料用の低圧縮力の非シリコーン高熱伝導性配合物を提供する。熱界面材料は、約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、及び約１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮力を用いて約１００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す非シリコーン有機物の組成物を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に半導体デバイス用の改善された熱界面材料に関し、より具体的には、熱界面材料用の低圧縮力非シリコーン高熱伝導性配合物に関する。

熱放散は、アナログ及びパワートランジスタなどの半導体デバイスの設計において、そして特に高集積密度で形成された高性能デジタル・スイッチング回路において重要な要素である。集積回路の性能及び信頼性に対して熱除去が重要であるので、ヒート・シンク又は他の熱除去構造体（例えば、液冷式冷却板）を集積回路パッケージの設計及び製造に組み込むことが通例となっている。

ヒート・シンクを集積回路パッケージに取り付けるために、比較的良好な熱伝導性を有する接着剤を使用することが通例となっている。しかし、それらの材料の熱伝導性は、金属に比べれば依然として非常に低い。例えば、現在使用されている熱伝導性接着剤の熱伝導率は約１．７３Ｗ／ｍ℃にすぎないが、銅は３９４Ｗ／ｍ℃の熱伝導率を有する。

適切な体積及び接合厚を与えるように設計された厚さを有する初めはシートの形態の再加工可能な熱可塑性接着剤を用いて、ヒート・シンクを集積回路パッケージに接合することが通例となっている。ペースト又はグリースなどの分注可能な配合物は接着母材に対する代替物となる。

熱界面材料（ＴＩＭ）は、高熱伝導性を有し、及び／又は狭い接合線幅で用いることができる場合に最も効果的であり、即ち低い熱抵抗を与えることができる。ＴＩＭは一般に二つの主要成分、即ち、金属及び／又は非金属粒子及び／又はファイバなどのフィラー、並びに油又は短鎖ポリマー（オリゴマー）のようなビヒクルを有する。ビヒクルは、ソース、所望の特性、用途及びペースト価格に応じて、シリコーン又は非シリコーン化合物とすることができる。分散剤、硬化剤、酸化防止剤などの付加的成分が存在してもよい。

マイクロエレクトロニクスのパッケージ化においてシリコーン油ベースの熱界面材料（ＴＩＭ）の使用は、部品、例えばチップ、基板、リッド及び他のハードウェアの再使用可能性に対して、ＴＩＭからのシリコーン油による二次汚染の問題を引き起こす。

既知のように、ペースト型ＴＩＭの熱伝導性は、ペースト配合物内で、二つの主要成分のうちの高熱伝導性成分であるフィラー含量を増すことにより高めることができる。しかし、配合物中のフィラー含量が増えると、ペーストはますます堅く又は硬直化し、ペーストをより狭い接合線幅に圧縮することが困難になる。多くの場合、多くのＴＩＭは混合物中に逃散性溶媒を混合して、より狭い接合線幅を達成しようとする際により低い圧縮力を実現する。逃散性溶媒は比較的揮発性の溶媒であり、長期間含有することが難しく、ＴＩＭの有効寿命を短くする可能性がある。

従って、当技術分野には上述の欠陥及び制約を克服する必要性が存在する。

本発明の態様において、熱界面材料は、約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、並びに、約１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮力を用いて約１００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す非シリコーン有機物の組成物を含む。

実施形態において組成物は、約２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、約１０乃至２０ミクロンの粒径、及び約３０乃至４２％の重量百分率を有する第１の成分と、約２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、約３乃至１０ミクロンの粒径、及び約１８乃至２４％の重量百分率を有する第２の成分と、約５Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、約１．０ミクロンを下回る粒径、及び約３１乃至３９％の重量百分率を有する第３の成分と、非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤並びに酸化防止剤、増粘剤及び顔料とを含む。さらに別の実施形態において、第１及び第２の成分はアルミニウムであり、第３の成分は酸化アルミニウムである。組成物は不揮発性溶媒を含む。非シリコーン有機物は約０．０１Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率を有する。熱伝導率は約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上である。約１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮圧力により圧縮された接合線幅は約１００ミクロン又はそれ以下である。

本発明のさらに別の態様によれば、熱界面材料は、約１０乃至２０ミクロンの粒径及び約３０乃至４２％の重量百分率を有する第１のアルミニウム成分、約３乃至１０ミクロンの粒径及び約１８乃至２４％の重量百分率を有する第２のアルミニウム成分、約１．０ミクロン未満の粒径及び約３１乃至３９％の重量百分率を有する酸化アルミニウム成分、並びに、非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料を含む。

本発明のさらに別の態様において、ハット／リッドとヒート・シンクの間に形成される界面に構造熱界面材料が配置される。ハット／リッドは基板上に取り付けられた一つ又は複数のチップの上に配置される。熱界面材料は非シリコーン有機物及び不揮発性溶媒を含み、約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、並びに１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮圧力を用いて約２００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す。

実施形態において、組成物は、約２００Ｗ／ｍＫ又はそれ以上のバルク熱伝導率、約１０乃至２０ミクロンの粒径、及び約３０乃至４２％の重量百分率を有する第１の成分、約２００Ｗ／ｍＫ又はそれ以上のバルク熱伝導率、約３乃至１０ミクロンの粒径、及び約１８乃至２４％の重量百分率を有する第２の成分、約５Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、約１．０ミクロン未満の粒径、及び約１乃至３９％の重量百分率を有する第３の成分、並びに、非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料を含む。さらに別の実施形態において、組成物は、約１０乃至２０ミクロンの粒径及び約３０乃至４２％の重量百分率を有する第１のアルミニウム成分、約３乃至１０ミクロンの粒径及び約１８乃至２４％の重量百分率を有する第２のアルミニウム成分、約１．０ミクロン未満の粒径及び約３１乃至３９％の重量百分率を有する酸化アルミニウム成分、並びに、非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料を含む。

本発明のさらに別の態様において、構造体は、基板、基板上の単一又は複数のチップ、複数のチップの上に配置されたハット／リッド、ハット／リッドの上のヒート・シンクであってハット／リッドとヒート・シンクの間の界面を形成するヒート・シンク、並びにハット／リッド及びヒート・シンクの表面に接触する界面における界面材料を含む。熱界面材料は、約６．０Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、及び１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮圧力を用いて約２００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す非シリコーン有機物の組成物を含む。

本発明は、以下の詳細な説明において、本発明の例示的な実施形態の非限定的な例として言及される複数の図面を参照しながら説明する。

本発明の熱界面材料の特性をプロットしたグラフを示す。本発明の熱界面材料を有する構造体を示す。

本発明は、一般に半導体デバイス用の改善された界面材料に関し、より具体的には低圧縮力の非シリコーン高熱伝導性配合界面材料に関する。実施において、本発明は、大きな不均一熱界面を有するデバイス及び／又は構成要素の熱特性、信頼性及び現場作業／修理の容易さを改良するための構造体を提供する。実施形態において本発明は、大きな熱界面の間に配置することができる熱界面材料を含む。この熱界面材料は、不均一な空隙を低圧縮力で均一に充填することができ、さらに再加工が容易である。より具体的な実施形態において、熱界面材料は非シリコーンで無溶媒のものであり、高熱伝導性、及び現場において通常のペースト又は材料よりも長い有効寿命を示す。

有利なことに、本発明の非シリコーン・ベースの熱界面材料を用いると、機能性に対する影響、構成要素の作り直し、及び／又は、シリコーンのマイグレーションによる二次汚染及び相互接続部（例えば、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ）パッド及び他の能動デバイス）の汚染の危険性が避けられる。さらに、本発明の熱溶液は揮発性が低く、現場技術者が保管するときには乾固しない。

より具体的には本発明は、高熱伝導率（約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率）のペースト／グリースをもたらすと同時に、１０ｐｓｉ又はそれ以下、好ましくは２０ｐｓｉ又はそれ以下、より好ましくは１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮圧力により、それぞれ、約１００ミクロン又はそれ以下、好ましくは７５ミクロン、より好ましくは１８乃至５５ミクロンの狭い接合線幅（ＢＬＴ）に圧縮することができる、熱界面材料配合物に向けられる。例えば、１０ｐｓｉ又はそれ以下で約１００ミクロンの接合線幅（ＢＬＴ）を得ることができる。さらに別の実施において、熱伝導率は、好ましい範囲の圧縮力による上記の所望の接合線幅で約５．５Ｗ／ｍＫを越える。

実施形態において、熱界面材料の配合物は、第１の粒径範囲内のアルミニウム、第２の粒径範囲内のアルミニウム、及び酸化アルミニウムを含む。また他の非シリコーン有機物をビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤、顔料などとして用いることも本発明により企図される。より具体的に、表１は本発明の熱界面材料に配合物を示す。

上に示した配合物は、有利なことに、１０乃至１００ｐｓｉの圧縮圧力で約７５ミクロン又はそれ以下、より好ましくは５５乃至１８ミクロンに圧縮された狭い接合線幅において高熱伝導率（約６Ｗ／ｍＫの熱伝導率）をもたらす。上記の配合物は、非シリコーン材料を用い、揮発性溶媒を用いずに、硬化又は相変化のための高温を加えずに、３ミル未満（例えば約７５ミクロン）の薄い接合線幅に達するための低圧縮力をもたらすことが好ましい。

より具体的に、表２は本発明の熱界面材料の配合物を示す。

本発明により企図される異なる組合せのさらに別の例証を与えるために、以下の表３に付加的な非限定的な例を与える。しかし、当業者であれば、表３の例は例証のために与えられるものであり、特許請求される本発明の限定された特徴と考えるべきではないことを理解するであろう。熱伝導率の測定値は約±５．０％の精度を有し、重量百分率及び粒径は±１．０％の精度を有する。

表４の「Ｘ」の例に示したように、７．０Ｗ／ｍＫを上回るＴＣは許容可能な熱伝導率であるが、１３６ｐｓｉの圧縮圧力は許容範囲の遥か外側である。また表３の「Ｙ」の例において、５．０Ｗ／ｍＫのＴＣは許容範囲外であるが、６０ｐｓｉの圧縮圧力は許容範囲にある。従って、示したように、熱界面材料が本発明の限界の外で作成されると、熱界面材料は、５．５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率及び／又は７５ミクロンの接合線幅に達するのに１００ｐｓｉを上回る圧縮圧力を有する可能性がある。熱伝導率の測定値は約±５．０％の精度を有し、重量百分率及び粒径は±１．０％の精度を有する。

図１は、本発明の熱界面材料の特性をプロットしたグラフを示す。例えば、図１のグラフは、本発明の熱界面材料は１８ミクロンから５５ミクロンまでの最小接合線幅に達するのに、１０ｐｓｉから１００ｐｓｉまでの圧縮圧力で圧縮することができることを示す。より具体的には図１のグラフは、本発明の熱界面材料は≧６．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、１００乃至２ｐｓｉの圧力によって０．７５乃至３．００ミルの間隙まで圧縮することができることを示す。

図２は、本発明の熱界面材料を用いた構造体を示す。より具体的には、図２は、大きく且つ不均一な熱界面において本発明の熱界面材料１０５を用いた、改善された熱特性、信頼性及び再加工可能性を有する構造体（マルチ・チップ・モジュール）１００を示す。熱界面材料１０５は、構造体（マルチ・チップ・モジュール）１００のハット／リッド１１０とヒート・シンク１１５の間に存在する。ハット１１０は基板１２５の上に取り付けられた複数のチップの上に配置される。実施形態において、ヒート・シンク１１５とハット／リッド１１０の間の接触面積は約１３８ｍｍ×１３８ｍｍであり、熱界面材料１０５は、実施形態において１０５ｍｍ×１０５ｍｍの中央領域を完全に覆うことができる。但し、他の寸法も本発明により企図される。熱界面材料１０５は、構造体（マルチ・チップ・モジュール）１００の外周の内部に留まる、即ち押し出されないことが好ましく、ハット／リッド１１０とヒート・シンク１１５の表面に接触する界面の境界内部に留まることがより好ましい。実施形態において界面の表面は裸銅又はＮｉめっき銅とする。

有利なことに、熱界面材料１０５は移動せず、他のハードウェアを汚染しない。また熱界面材料１０５は、熱抵抗にわたる性能の狭い広がり／分布により、熱界面にわたって高性能をもたらす。さらに熱界面材料１０５は、不均一な間隙を均一に充填することができ、屋外環境の現場使用に耐えることができ、さらに有効寿命要件を満たすことができる。

上述の方法は、集積回路チップの製造に用いられる。結果として得られる集積回路チッピは、未加工ウェハの形態（即ち、複数の非パッケージ・チップを有する単一のウェハ）で、裸のダイとして、又はパッケージされた形態で、製造者が配布することができる。後者の場合、チップは単一チップ・パッケージ（例えば、マザーボード又は他のより高レベルのキャリアに接続されるリードを有するプラスチック・キャリアなど）内に、又はマルチチップ・パッケージ（例えば、表面相互接続又は埋め込み相互接続の何れか又は両方を有するセラミック・キャリアなど）内に取り付けられる。何れの場合にもチップは次に他のチップ、分離した回路要素、及び／又は他の信号処理デバイスと統合して、（ａ）マザーボードなどの中間製品又は（ｂ）最終製品の部品とする。最終製品は、おもちゃ及び他の低価格用途から、ディスプレイ、キーボード又は他の入力デバイス、及び中央処理装置を有する高度なコンピュータに至る、集積回路チップを含んだ任意の製品とすることができる。

本明細書で用いた用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書で用いる単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「その（the）」は、文脈が特に明示しない限り、複数形も同様に含むことを意図したものである。さらに、用語「含む（comprises）」及び／又は「含んだ（comprising）」は本明細書において用いるとき、記述された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指示するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。

以下の特許請求の範囲に存在する場合、全てのミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造体、材料、行為、及び等価物は、具体的に特許請求された他の請求要素と共に機能を実行するための任意の構造体、材料、又は行為を含むことを意図したものである。本発明の説明は、例証及び説明のためだけに提示したものであり、網羅的であること又は本発明を開示した形態に限定することを意図したものではない。当業者には、本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない多くの修正物及び変形物が明らかとなるであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際的用途を最もよく説明するように、そして当業者が、企図した特定の用途に適するように種々の修正を有する種々の実施形態に関して本発明を理解することができるように、選び記述した。

本発明は半導体デバイスの製造において有用である。

１００：構造体（マルチ・チップ・モジュール）
１０５：熱界面材料
１１０：ハット／リッド
１１５：ヒート・シンク
１２０：チップ
１２５：基板

Claims

５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、及び、１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮力を用いて１００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す（図１）、非シリコーン有機物の組成物を含む熱界面材料。
前記組成物は、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１の成分と、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２の成分と、
５Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する第３の成分と、
非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料と
を有する、
請求項１に記載の熱界面材料。
前記第１及び第２の成分はアルミニウムであり、前記第３の成分は酸化アルミニウムである、請求項２に記載の熱界面材料。
前記組成物は不揮発性溶媒を含む、請求項２に記載の熱界面材料。
前記非シリコーン有機物ビヒクルは、７乃至１０％の重量百分率を有する、請求項２に記載の熱界面材料。
前記非シリコーン有機物は、０．０１Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率を有する、請求項２に記載の熱界面材料。
前記熱伝導率は５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上である（図１）、請求項２に記載の熱界面材料。
前記圧縮された接合線幅はほぼ７５ミクロンであり、前記圧縮圧力は２０ｐｓｉ又はそれ以下である（図１）、請求項１に記載の熱界面材料。
１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１のアルミニウム成分と、
３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２のアルミニウム成分と、
１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する酸化アルミニウム成分と、
非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料と
を含む熱界面材料。
前記比シリコーン有機物ビヒクルの重量百分率は７乃至１０％である、請求項９に記載の熱界面材料。
熱伝導率は５．５Ｗ／ｍＫを上回り、７５ミクロンの厚さに達するための圧縮圧力は７５ｐｓｉ又はそれ以下である（図１）、請求項９に記載の熱界面材料。
熱伝導率は約６．９Ｗ／ｍＫであり、７５ミクロンの厚さに達するための圧縮圧力は１０ｐｓｉ又はそれ以下である（図１）、請求項９に記載の熱界面材料。
熱伝導率は約５．９Ｗ／ｍＫであり、７５ミクロンの厚さに達するための圧縮圧力は１０ｐｓｉ又はそれ以下である（図１）、請求項９に記載の熱界面材料。
熱伝導率は約５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上である（図１）、請求項９に記載の熱界面材料。
前記非シリコーン有機物は、ビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料である、請求項９に記載の熱界面材料。
ハット／リッド（１１０）とヒート・シンク（１１５）の間に配置された熱界面材料（１０５）を含む構造体であって、
前記ハット／リッド（１１０）は、基板（１２５）の上に取り付けられる単一チップ又は複数のチップの上に配置され、
前記熱界面材料（１０５）は、非シリコーン有機物及び不揮発性溶媒の組成物を含み、５．５Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、及び１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮力を用いて２００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す（図１）、
構造体。
前記組成物は、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１の成分と、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２の成分と、
５Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する第３の成分と、
非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料と
を含む、請求項１６に記載の構造体。
前記組成物は、
１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１のアルミニウム成分と、
３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２のアルミニウム成分と、
１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する酸化アルミニウム成分と、
非シリコーン有機物のビヒクル、分散剤、酸化防止剤、増粘剤及び顔料と
を含む、請求項１６に記載の構造体。
前記熱伝導率は６．０Ｗ／ｍＫ又はそれ以上である（図１）、請求項１６に記載の構造体。
前記組成物は不揮発性溶媒を含む、請求項１６に記載の構造体。
基板（１２５）と、
前記基板（１２５）の上の単一又は複数のチップ（１２０）と、
前記単一又は複数のチップ（１２０）の上に配置されたハット／リッド（１１０）と、
前記ハット／リッド（１１０）の上のヒート・シンクであって、前記ハット／リッド（１１０）との間の界面を形成する、前記ヒート・シンク（１１５）と、
前記ヒート・シンク（１１５）及び前記ハット／リッド（１１０）の表面に接触する、界面における界面材料（１０５）と
を含み、
前記熱界面材料（１０５）は、６．０Ｗ／ｍＫ又はそれ以上の熱伝導率、及び１００ｐｓｉ又はそれ以下の圧縮力を用いて２００ミクロン又はそれ以下に圧縮された接合線幅を示す、非シリコーン有機物の組成物を含む、
構造体。
前記組成物は、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１の成分と、
２００Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２の成分と、
５Ｗ／ｍＫを上回るバルク熱伝導率、１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する第３の成分と
を含む、請求項２１に記載の構造体。
前記組成物は、
１０乃至２０ミクロンの粒径、及び３０乃至４２％の重量百分率を有する第１のアルミニウム成分と、
３乃至１０ミクロンの粒径、及び１８乃至２４％の重量百分率を有する第２のアルミニウム成分と、
１．０ミクロン未満の粒径、及び３１乃至３９％の重量百分率を有する酸化アルミニウム成分と
を含む、請求項２１に記載の構造体。
前記圧縮された接合線幅は５５乃至１８ミクロンである（図１）、請求項２１に記載の構造体。
前記界面表面は裸銅又はＮｉめっき銅である、請求項２１に記載の構造体。