顯微分析技術在背光模組表面異物成分分析中的應用

謝衛萍，陳希跑，姚懿容，盧煥明，李 勇，張公軍

（中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201）

0 前言

液晶顯示具有功耗低、重量輕、厚度薄等優點，已經成為應用面最廣、產業化程度較高的一種顯示器件，廣泛應用于移動電話、數碼相機、電腦、航空航天器件用等各種圖像顯示器[1-2]。但液晶顯示器屬被動發光元件，它本身不能發光，需要靠背光模組調制光源以達到顯示的目的[3]。液晶顯示器的光學明暗度依賴于后部的背光模組，背光模組的品質直接決定了產品的顯像質量，因此在背光模組的生產及組裝過程中對產品進行質量檢測和評價就顯得尤為重要。背光模組表面如果有異物存在將影響背光模組的導光、反光、勻光、集光、光回收等作用，從而導致顯示屏顯示器質量的下降[4]。因此在生產組裝過程中，對發現的異物進行成分分析，確定異物產生原因并及時防范是十分重要的。但是很多生產過程中的異物比較微小，很難通過肉眼及宏觀分析技術去分辨其成分與來源，故需要通過顯微分析技術進行分析。

顯微分析技術可大致分為光學顯微技術及電子顯微技術兩大類，是一種能實現肉眼所不能分辨的微小物體形態結構及其特征分析的良好手段，在材料科學、法庭科學、環境檢測等領域微觀結構的分析中得到廣泛應用[5-8]。本工作擬通過結合顯微紅外光譜儀、顯微拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡及X射線能譜儀建立一種顯微分析方法，實現對背光模組表面微米級異物的分析，確定異物成分，并對異物形成的原因進行分析。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent Cary 660+620型顯微紅外光譜儀，液氮冷卻的汞鎘碲化合物（MCT）檢測器；Renishaw Invia顯微共焦激光拉曼光譜儀，電制冷電荷耦合陣列檢測器（CCD）；FEI Sirion 200型熱場發射掃描電子顯微鏡（SEM）配Oxford X-Act型分析性電制冷能譜儀（EDS）。

背光模組1#和2#。

酒精為分析純。

1.2 儀器工作條件

掃描電鏡及能譜儀：加速電壓為15 kV，真空度小于4e-10 mBar。

顯微紅外光譜儀：采用入射角度為45°的鍺晶體衰減全反射附件進行測試，測量光譜范圍為4000～650 cm-1；光譜分辨率為4 cm-1；掃描次數32次，單點MCT檢測器。

顯微拉曼光譜儀：633 nm氬離子激光器，1800 l/mm光柵，儀器狹縫65 μm，濾除633 nm瑞利線的瑞利濾光片，測量光譜范圍4000～100 cm-1。

1.3 試驗方法

掃描電鏡及能譜分析：用銀導電膠將樣品粘在樣品臺上，樣品表面經離子濺射儀噴鍍金膜處理以增加樣品的導電性，然后將樣品臺放入掃描電鏡腔體內，抽真空達到指定真空度，施加電壓15 kV。

顯微紅外光譜：將背光模組組件置于顯微紅外光譜載物臺上，含異物面朝上，采用顯微紅外光譜儀衰減全反射技術原位采集背光膜組無異物處（基體）及表面異物的紅外光譜圖。

顯微拉曼光譜：將背光模組組件置于顯微拉曼光譜載物臺上，含異物面朝上，采用顯微拉曼光譜儀原位采集背光膜組無異物處（基體）及表面異物的拉曼光譜圖。

2 結果與討論

2.1 掃描電鏡和能譜分析

背光模組表面異物微觀形貌如圖1所示。圖1（a）為背光模組1#，圖中中心亮色區域為異物缺陷，可見異物在基體的表面，相對于基體為白色，呈現不規則條狀，尺寸大約 4×20 μm；圖 1（b）為背光模組組件2#，圖中中心亮色區域為異物缺陷，可見異物附著在基體的表面，相對于基體為白色，呈現不規則圓狀，尺寸大約20 μm。

為判斷基體及圖異物處的元素組成，對基體及異物部位進行了電鏡掃描和能譜分析，結果見圖 2。由圖 2（a）及圖 2（b）知背光模組基體主要由C、O元素組成，說明基底為有機物，與實際塑料相符；由圖2（c）可知背光模組1#異物處含有的元素主要為C、O、Si，由于基體中不含有Si元素，故可判斷異物為含有Si的物質；從圖2（d）中可知背光模組組件2#異物處含有的元素主要也為C、O，另外還含有少量的Ca、Si等，可能為樣品攜帶過程中引入的微量雜質，故異物為含有C、O的有機物。

圖1 背光模組異物掃描電鏡圖片Fig.1 SEM picture of foreign substances on backlight module

2.2 顯微紅外及拉曼光譜分析

紅外與拉曼光譜同屬于分子光譜，用于研究分子的振動能級躍遷，但二者理論基礎略有不同，在結構分析中得到的信息可以互補[9]。為分析背光模組基體及異物中含有的官能團，從而判斷樣品的成分，對基體及表明異物進行拉曼及紅外光譜的測試。

圖2 背光模組能譜數據Fig.2 EDX date of backlight module

首先確定基體的成分以排除基體對異物分析造成的干擾。背光模組1#和2#基體的紅外及拉曼光譜圖如圖3及圖4所示，對比圖3及圖4知兩個樣品紅外及拉曼光譜圖中吸收峰位置及相對強度基本一致，故兩個基體為同一種材質。以背光模組1#基體譜圖進行分析：圖3（a）中位于1722 cm-1處強峰為基本為C=O伸縮振動，1254 cm-1、1125 cm-1等左右處峰可能為C-O-C伸縮振動，說明樣品中存在酯基；而拉曼圖3（b）中 1728 cm-1、1292 cm-1、1095 cm-1同樣也說明樣品中存在酯基。 圖 3（a）中位于 1580 cm-1、1503 cm-1左右處峰為苯環骨架振動，1405 cm-1、1020 cm-1處為Ar-H彎曲振動，表明樣品中存在苯環；拉曼圖3（b）中位于3084 cm-1處Ar-H伸縮振動吸收峰、1616 cm-1處C=C伸縮振動強吸收峰也為苯環存在的證據。圖 3（a）中 1341 cm-1處為-CH2-彎曲振動吸收表面樣品中存在亞甲基。根據基體含有的官能團及其為塑料的特性，得知基體主要成分可能為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。經觀察發現圖3（a）中存在PET結晶結構特征峰[10]，其位于 1045 cm-1、971 cm-1、898 cm-1、848 cm-1，故確定兩個樣品基體的主要成分為PET。

圖3 背光模組1#基體紅外及拉曼光譜圖Fig.3 IR and Raman spectra of substrate onbacklight module 1#

圖4 背光模組2#紅外及拉曼光譜圖Fig.4 IR and Raman spectra of substrate on backlight module 2#

背光模組1#中異物的紅外及拉曼光譜圖見圖5。圖3與圖5主要吸收峰位置相差較大，說明基體對異物分析基本無干擾。根據能譜分析中確定該異物含有C、O、Si元素的結果，綜合典型化合物及官能團的特征譜帶分析[11]，得知：圖5（a）中在 2962 cm-1、2905 cm-1處的吸收峰為-CH3的伸縮振動，1258 cm-1處吸收峰可能為Si-CH3變形振動，791 cm-1處的吸收峰為硅碳鍵（Si-C）的伸縮振動，1083 cm-1、1012 cm-1處的吸收峰為硅氧鍵（-Si-O-Si-）伸縮振動；在圖 5（b）中 2966cm-1、2905 cm-1處吸收峰也為-CH3的伸縮振動，489 cm-1處吸收峰為Si-O伸縮振動，192 cm-1處吸收峰可能為C-Si-C變形振動，157 cm-1處吸收峰可能為C-Si-O伸縮振動。綜合得知該異物可能主要含有H3C-Si-CH3及Si-O-Si結構單元，結合兩個結構單元知該異物重復單元結構式應如圖6所示，該結構式為聚二甲基硅氧烷重復單元，故得到該異物為聚二甲基硅氧烷。

圖5 背光模組1#異物紅外及拉曼光譜圖Fig.5 IR and Raman spectra of foreign substance on backlight module 1#

圖6 背光模組1#異物重復單元結構式Fig.6 Repeat unit structure of foreign substance on backlight module 1#

背光模組2#中異物的紅外及拉曼光譜圖見圖7。圖4與圖7主要吸收峰位置有差別，說明基體對異物分析干擾較小。根據能譜分析中確定該異物含有C、O元素的結果，綜合典型化合物及官能團的特征譜帶分析，得知：圖 7（a）中 2850～3000 cm-1處的吸收峰是-CH2-及-CH3的伸縮振動；1451 cm-1、1380 cm-1處的吸收峰為-CH2-及-CH3彎曲振動；而拉曼圖 7（b）中 2936 cm-1、2874 cm-1、1450 cm-1、1363 cm-1同樣也說明樣品中存在-CH2-及-CH3。圖 7（a）中位于 1732 cm-1處的吸收峰為C=O伸縮振動，1237 cm-1、1162 cm-1處的吸收峰為酯中-C-O-C-伸縮振動，說明樣品中可能存在酯基；拉曼圖7（b）中位于1728 cm-1處C=O伸縮振動吸收峰、約在1280 cm-1及1100 cm-1處C-O-C伸縮振動吸收峰也為酯基存在的證據。綜合得知該異物主要含有-CH2-、-CH3、酯基等官能團，判斷該異物可能為聚丙烯酸酯。

圖7 背光模組2#異物紅外及拉曼光譜圖Fig.7 IR and Raman spectra of foreign substance on backlight module 2#

2.3 異物來源分析

通過能譜分析及官能團分析得知1#異物主要成分為聚二甲基硅氧烷。聚二甲基硅氧烷主鏈為Si-O鍵（呈螺旋形），側鏈為甲基，故它具有低的表面能、流動性好、浸潤性佳、透光性好等優點，廣泛應用于建筑、汽車、電子電器等領域。根據生產實際，背光模組功能涂層的涂料中會添加聚二甲基硅氧烷，以達到流動、爽滑、消泡等作用。因而懷疑在將幾種涂料原料混合過程中，沒有將聚二甲基硅氧烷完全與其他涂料混勻，然后在涂布形成涂層后在表面出現異物。

通過分析可知，2#異物主要成分可能為聚丙烯酸酯。聚丙烯酸酯是有丙烯酸酯類和甲基丙烯酸酯類為單體形成的均聚物或共聚物，由于其具有粘合牢固、不易脫落、耐候性好等優點，廣泛應用于涂料、膠黏劑等行業。我們從客戶處得知在將背光模組與其他顯示器部件組裝前需要在背光模組邊緣貼一圈黑色膠框，此黑色膠框主要作用為粘結固定及遮蔽外界雜散光。根據以上分析，懷疑此異物可能來自于黑色膠框，遂對黑色膠框膠面進行紅外光譜及拉曼光譜的測試，測試譜圖見圖8。將圖8與2#異物的紅外及拉曼光譜圖圖7對比，峰位置及峰型極為相似，因此可以推測2#異物的產生與黑色膠框有關系。因黑色膠產品原本為面積較大的膠面，需要將其剪裁成細小的膠框，然后固定在背光模組上，故懷疑為膠剪裁后固定前邊緣的膠脫落于背光模組上。

圖8 背光模組2#膠框紅外及拉曼光譜圖Fig.8 IR and Raman spectra of adhesive on backlight module 2#

3 結論

本工作通過多種顯微分析技術對兩種背光模組表面異物進行成分分析，確定兩種異物的成分分別為聚二甲基硅氧烷及聚丙烯酸酯；并根據生產實際，推測異物可能分別來源于生產涂層的原料及脫落的膠黏劑。

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