摘要：作为新一代先进封装材料，玻璃基板在高频电学性能、热膨胀系数匹配和高平整度等方面优势显著，但其脆性本质使其在切割过程中容易产生微裂纹，进而影响封装可靠性和生产良率。玻璃微裂纹的产生与扩展机制，本质上揭示了玻璃材料的脆性断裂行为。当前，玻璃切割方法主要分为机械切割和激光切割两大类。通过梳理这两类工艺的发展脉络并对比其优劣，可总结出相应的优化策略：在机械切割中，通过优化刀轮参数、改善冷却条件以及采用分层切割等手段能有效抑制崩边与裂纹的产生；而超快激光则凭借其冷加工特性，可实现无裂纹、高精度的切割，尤其适用于超薄玻璃与复杂图形加工，因此，对微裂纹扩展理论的深入理解，结合切割工艺的持续改进，为有效控制切割过程中的微裂纹提供了理论支撑和技术指引，有望推动先进封装向更高性能、更高可靠性的方向发展。
0 引言
在人工智能、高性能计算和5G、6G通信技术的推动下，玻璃基板作为新一代先进封装材料在扇出型晶圆级封装（FOWLP）中展现出巨大潜力。
玻璃基板的核心优势体现在高频电学性能上：1）玻璃具有低介电常数和极低的介电损耗，在高频通信中可显著降低信号传输损耗；2）玻璃的热机械性能突出，石英玻璃热膨胀系数（CTE）约0.5×10⁻⁶/℃，其他玻璃CTE在4−9×10⁻⁶/℃，与硅（CTE约2.5×10⁻⁶/℃）高度匹配，可减少热应力引起的封装失效；3）其高化学稳定性与低吸湿性进一步增强封装可靠性；4）玻璃表面的高平整度（粗糙度低于10 nm）为高密度布线提供了理想基底，支持线宽线距（L/S）低至1~2 μm的细间距互连，满足先进封装对高I/O密度的需求；5）玻璃基板可通过TGV（玻璃通孔）技术实现垂直互连，支持2.5D/3D集成，能缩短芯片间互联长度，提升带宽密度；6）由于制造工艺的优势，玻璃基板的尺寸远大于硅基或有机基板，传统硅晶圆直径为12寸，而新兴的玻璃基板尺寸可达650 mm×550 mm，有效提高封装效率与单位产能。玻璃基板正推动封装技术向更高性能、更低成本发展。
玻璃的脆性本质使其在切割过程中，会因外部应力在表面和内部产生微裂纹。切割操作在玻璃边缘区域引发高应力集中，形成初始缺陷，切割后的残余应力可使裂纹在短时间内扩展，沿玻璃表面的垂直或水平方向传播。裂纹主要集中在切割表面的上边缘和下边缘区域，呈现不对称分布，这种差异与切割应力梯度相关。在多层结构中，因玻璃-聚合物界面区域存在CTE不匹配引起的残余应力，裂纹更容易在玻璃-聚合物界面处成核。在TGV加工过程中，其特殊结构也易因应力集中引发微裂纹，进而导致封装结构失效。
微裂纹的存在对玻璃基板封装构成严重危害，主要体现在结构失效、性能退化和可靠性降低三个方面。微裂纹作为应力集中点，在热循环或机械载荷下易扩展为宏观裂纹，导致基体开裂或界面分层。这种分层在湿热环境中更易发生，因为水分渗入会降低界面韧性[9]。微裂纹延展至TGV附近时会破坏布线，且当裂纹长度超过临界值时，触发失效。微裂纹显著缩短封装寿命，在切割后续处理过程中，裂纹扩展可能导致即时失效，而几乎无微裂纹的玻璃基板可通过1000次热循环可靠性测试。
为应对上述挑战，业界已展开多项研究以提升玻璃封装基板的可靠性。例如，广东工业大学与佛智芯公司的合作研究表明，在玻璃与金属铜的界面上插入1 μm厚的聚合物材料作为应力缓冲层可显著提高玻璃基板的热应力可靠性。目前，佛智芯公司已具备大规模加工能力，可生产尺寸50 mm×50 mm、L/S为15/15 μm的玻璃基板。
为确保封装结构的机械完整性和高良率，玻璃基板的切割质量必须满足严格标准：首先，切割精度需达到微米级以满足高密度布线需求；其次，需严格控制崩边尺寸与微裂纹，当边缘崩缺或裂纹等缺陷长度超过10 μm的临界值时，即可能在后续工艺或热循环中引发裂纹扩展；最后，切割后的残余应力需尽可能低，并低于玻璃的抗拉强度，以防止脆性断裂。
玻璃基板虽然具备卓越的性能，但切割产生的微裂纹是一项重要挑战。本文旨在通过分析微裂纹的产生机制与玻璃切割的原理，探讨相应的优化策略，以提升玻璃基板的封装性能与可靠性。
1 微裂纹的产生与扩展
1.1 玻璃的脆性断裂本质
玻璃作为典型的非晶态固体，其长程无序、短程有序的微观结构从根本上决定了其独特的学习行为与失效模式。由于缺乏晶体材料中位错滑移等塑性变形机制，玻璃在受力时直至断裂几乎都表现为线性弹性，无明显屈服阶段，属于经典脆性材料。这导致其力学性能呈现“高抗压、低抗拉”的显著特点，抗压强度可达抗拉强度的十数倍以上，而实际抗拉强度（约30~80 MPa）远低于其理论强度（>10 GPa）。这种巨大差距的根源在于实际玻璃中普遍存在的各类缺陷，尤其是微裂纹，易产生应力集中，断裂往往始于这些最薄弱环节。
1.2 微裂纹的产生
微裂纹的萌生途径多样，主要可归纳为四类。
本征缺陷：根据Griffith理论，玻璃表面天然存在大量纳米至微米尺度的微裂纹，这是其强度低于理论值的根本原因。这些缺陷源自玻璃结构的非均匀性，如微相分离、配位缺陷、空位聚集形成的纳米孔洞等。新生玻璃表面存在的“断键”易吸附环境水分子，通过H⁺与网络修饰离子（如Na⁺）交换形成Si—OH，此过程因离子半径差异引发表面张力，构成潜在的裂纹源。
环境化学作用：玻璃表面并非完全惰性。水、酸、碱等极性介质会与玻璃网络发生反应，导致慢性应力腐蚀。例如，氢氟酸能直接侵蚀硅氧网络，形成蚀坑；而水的存在不仅能降低表面能，还会加速载荷作用下裂纹的亚临界扩展。
机械加工损伤：这是工程中引入微裂纹最主要的方式。如硬脆材料加工示意图（图1）所示，在磨削、切割等过程中，高硬度磨粒（如金刚石）在脆性玻璃表面引发局部脆性断裂，形成特征性损伤层。其中，垂直裂纹向材料内部延伸，严重削弱构件强度；水平裂纹则平行于表面，影响表面质量与材料去除效率。研究证实，切割刀轮的角度、压力等参数直接影响裂纹的形态与深度。
图1 硬脆材料加工示意图
热致与能量束加工缺陷：传统激光等高能束加工，因瞬时剧烈的加热与冷却会产生显著热应力，可能导致热致裂纹、烧蚀微爆裂或重凝层缺陷，因此，发展可控的“冷”激光工艺以实现无裂纹加工成为重要方向。
2 玻璃切割工艺与优化策略
2.1 从传统机械法到现代激光法的演进历程
自十九世纪平板玻璃工业化生产以来，“低损伤、高效率、高自由度分离”始终是脆性材料加工的核心课题。玻璃切割技术主要经历了以下四个阶段的演进：1）手工划切：利用金刚石刀尖产生微裂纹，配合人工施加应力实现分离。2）机械刀轮切割：通过自动化设备驱动刀轮形成裂纹，并施加机械应力劈裂。作为接触式加工，在加工超薄或高硬度玻璃时常出现崩边、碎裂等缺陷，且难以实现复杂轮廓切割。3）水刀技术：利用超高压射流物理侵蚀材料。其优势在于无热应力、普适性强，适用于厚重或复合材料加工。但切割边缘较粗糙且带有锥度，运行成本较高。4）激光热应力切割：二十世纪末兴起，利用微米级温差代替机械弯矩，可将崩边尺寸压缩至2 μm左右。2010年后，超快激光成丝技术将能量沉积尺度推进至1 μm以下，实现了“零崩边”效果，成为当前超薄玻璃及显示盖板等高端领域的首选技术。
2.2 机械切割与优化
机械切割基于玻璃的脆性断裂特性，通过“先划痕，后裂片”两步实现分离。首先利用刀轮（通常为金刚石或硬质合金材质）以一定压力和速度在玻璃表面滚压，形成深度约为玻璃厚度10%~20%、宽度为微米级的连续可控微裂纹；随后通过裂片机施加垂直于划痕的弯曲应力，使裂纹沿垂直方向扩展，实现整齐分离。
尽管机械切割技术成熟、成本低廉，但仍存在一些固有缺陷，主要包括崩边与微裂纹导致的边缘粗糙、刀轮磨损影响工艺连续性与一致性、部分应用需后续边缘打磨处理。本节将围绕改善机械切割质量从刀轮选型（材质、粒度等）、基片固定、划切工艺参数（划切速度、进给速度、切深、冷却水、双刀工艺等）等方面展开综述讨论。
以下是玻璃基板机械切割不同玻璃适配条件优化策略以及玻璃基板机械切割工艺对比：
综上所述，在机械切割中，由于加工对象与要求多样，影响划切质量的因素复杂，最佳工艺与刀具的选择需综合考虑划切要求、材料特性，并在刀具寿命、切割效率与加工质量之间取得平衡，具体问题仍需结合实际需求通过实验研究予以解决。
2.3 激光切割与优化
玻璃基板作为现代电子与光电器件的关键载体，其精密切割质量直接影响元器件的性能、可靠性与集成度。激光切割技术凭借其非接触、高精度、高灵活性的特点，已成为玻璃基板加工的主流工艺之一。本节将从CO₂激光切割、超快激光内部改性切割以及激光光丝加工切割三大技术路线出发，系统阐述其核心机理与应用进展。
2.3.1 CO₂激光切割
CO₂激光常用波长10.6 μm，其光子能量与玻璃分子振动能级匹配，可被玻璃材料强烈吸收后转化为热能，实现热应力切割。CO₂激光切割（如图8所示）会快速加热玻璃表面狭小区域，使其膨胀产生压应力；激光移开后，该区域急速冷却收缩，转而形成高度局域化的拉应力。当此拉应力超过玻璃的断裂强度时，便引发裂纹，根据Inglis应力集中理论，裂纹尖端应力集中，裂纹扩展驱动力加大，当Kₗ超过Kₗᴄ时，裂纹被引导沿激光扫描路径扩展，实现切割分离。
早期的单束CO₂激光切割面临切缝不直或表面粗糙的问题，而焦俊科等利用双束CO₂激光切割工艺对此进行了优化。首先使用一束低功率聚焦CO₂激光在厚度1 mm的钠钙玻璃表面预划一道微痕，作为应力集中和裂纹引导线，降低后续引发裂纹扩展所需的临界应力；随后，一束非聚焦大光斑CO₂激光沿微痕扫描，提供均匀加热，生成大范围可控的热梯度，在微裂纹尖端形成稳定的拉应力场，引导裂纹沿预定路径稳定扩展。聚焦CO₂激光切割方向可控，但切面粗糙；非聚焦CO₂激光切面光滑，但裂纹扩展不规则，此方法结合了二者的优点，实现了玻璃的高质量切割。
与CO₂激光热应力切割相较，CO₂激光烧蚀切割通常采用高峰值功率的脉冲式CO₂激光器，激光束聚焦在玻璃表面，其高能量密度可使玻璃表面直接气化，形成微小的孔洞或凹槽，而非被热应力切断。对于已集成重布线层（RDL）的玻璃基板，切割产生的边缘应力和缺陷极易导致后续开裂。MCCANN等利用波长9.4 μm的CO₂激光烧蚀切割玻璃芯厚度为100 μm的玻璃基板，并提高了后续加工的可靠性。切割分为两个阶段，首先采用非常低能量的CO₂激光烧蚀除去聚合物部分，再使用更集中的大功率CO₂激光烧蚀穿透玻璃。激光产生的热量可使切割面局部熔融后冷却，这个过程会使微裂纹尖端熔融，凝固后实现裂纹的钝化甚至消除，并使切割表面更平滑。烧蚀凝固后的裂纹长度降低，由Inglis应力集中和Griffith能量理论可知，裂纹尖端曲率半径增加，应力集中系数降低，裂纹扩展阻力增加。切割后的玻璃基板可以通过1000次热循环可靠性测试；但是仍存在的问题是对于玻璃基板上的铜布线，CO₂激光切割的速率非常慢。
图8 CO₂激光切割
2.3.2 超快激光切割
CO₂激光产生的热量对切割边缘区域产生较大影响，超快激光的“冷加工”特性使其成为更理想的切割手段。皮秒/飞秒激光的脉冲宽度为10⁻¹²~10⁻¹⁵ s，极高的峰值功率密度诱导非线性吸收，包括多光子吸收和隧穿电离，能量在极短时间内沉积于电子云上，直接破坏材料化学键，由于脉冲持续时间远短于电子-晶格弛豫时间（1~10 ps），能量来不及传递给晶格，从而极大地减少了热效应引起的微裂纹。激光在透明材料内部聚焦，形成一条由连续改性点构成的脆弱面，随后通过施加外部机械应力或依靠材料自身应力使其沿该面整齐分离。
SHIN等结合了飞秒激光切割薄玻璃和机械裂片的手段，研究了工艺参数对厚度100 μm的硼硅玻璃边缘强度的重要影响。当激光能量密度为19 J/cm²、重叠率高达0.99且偏振方向垂直于切割路径时，可获得最佳边缘强度，正面~280 MPa，背面~230 MPa，利于机械裂片。激光的高重叠率确保了切割的连续性与均匀性，而激光偏振方向则影响了诱导产生的微裂纹的取向。垂直于偏振方向的微裂纹更易在弯曲应力下扩展，因此偏振方向垂直于切割路径，能获得更高的弯曲强度。然而，传统的自上而下的切割方式在接近完成时，剩余玻璃厚度极薄，无法承受激光冲击或自身重量，易导致背面崩边，这是背面强度通常低于正面的主要原因。为解决这一问题，SHIN等创新性地提出了自下而上的切割法。如切割示意图（图9）所示，该方法将激光的焦点初始位置置于玻璃下表面以下，然后逐层从下向上扫描烧蚀，在玻璃下表面形成V形切槽，避免发生激光束向玻璃内部的折射从而引发深达数十微米的亚表面延伸微裂纹。实验表明，该方法能将硼硅酸盐玻璃的边缘强度提升至正面330 MPa、背面380 MPa，背面强度提升尤为显著。
图9 切割示意图
皮秒激光能量低于飞秒激光，但结合贝塞尔光束也可达到良好的玻璃切割效果。贝塞尔光束是一种无衍射光束，其中心主瓣直径仅数微米，却能维持数毫米的焦深，适合在厚玻璃内部制造高深径比的改性通道。杨泽齐等利用皮秒贝塞尔光束切割强化玻璃，实现了高达400 mm/s的切割速度，断面粗糙度低至395 nm，且切割边缘完全没有由外部机械或热冲击引起的崩边或微裂纹。其切割机理分为两步：首先，每个高能量皮秒脉冲在玻璃内部产生一个柱状改性区，连续脉冲构成一个垂直于表面的改性平面；随后，化学强化玻璃自身的应力分布被破坏，内部拉应力释放并集中于改性平面，当应力强度因子达到断裂韧性值后，改性平面上的微裂纹扩张贯穿连接，最终使玻璃自动沿改性面断裂。
2.3.3 超快激光光丝切割
飞秒激光的能量服从高斯分布，光斑中心的能量密度高于边缘处，光束在透明介质中传播时会引发介质折射率分布不均匀，使得光束向光轴汇聚，即光的克尔自聚焦效应。当飞秒激光在透明介质中的功率超过其自聚焦的阈值时，会引发光丝效应。激光自聚焦使得能量密度增大，可引发电离产生等离子体，其中的自由电子对光有散焦作用。当克尔自聚焦与等离子体散焦形成动态平衡时，光束可以形成一条直径仅数微米、长度远超瑞利距离的稳定高能量密度通道——即光丝，如激光光丝切割图（图10a）所示。基于光丝效应的切割技术充分利用了其超长焦深和极小横向尺寸的优势。
图10 激光光丝切割
廖恺等采用高重复频率红外飞秒激光光丝结合高速扫描振镜，对厚度200 μm的石英玻璃实现了单次、高速（10 mm/s）的直接切割。光丝在玻璃内部产生连续、细长的改性通道，单次扫描即可实现深而窄的切割。高重频确保了光斑的高重叠率，维持了光丝切割的连续性；高速扫描则提升了切割效率。最终获得了崩边小于7.5 μm、断面粗糙度优于1 μm的结果，展示了光丝技术在效率与精度之间的平衡。
薛波等在紫外飞秒激光光丝切割石英玻璃的研究中，采用343 nm波长，因其单光子能量高，材料吸收更直接。通过优化参数，将焦点置于表面，在脉冲能量50 μJ、重复频率200 kHz、扫描速度10 mm/s、扫描重复次数5次的条件下，获得了断面粗糙度560 nm、崩边极微的高质量切割效果，效果优于逐层扫描法（如激光光丝切割图10b，10c所示）。从断裂机理的角度看，光丝相当于在玻璃内部产生了一条贯通的几何形状高度可控的微裂纹，使得应力分布均匀，断裂行为精准可控。对激光波长、能量及扫描策略的优化，本质上是优化这条引导裂纹的形态一致性及周围的应力均匀性。
从CO₂激光的宏观热应力调控，到超快激光的内部改性，再到利用光丝效应的精密加工，激光切割玻璃技术已形成一个机理清晰、应用目标明确的技术谱系，玻璃基板激光切割工艺对比如表3所示。不同技术路线各有其物理基础与适用场景，这些技术的不断发展和融合，共同推动着玻璃基板加工向着更高精度、更高强度、更高效率的方向迈进。
国内研究者在激光切割领域已取得显著进展，但在高功率超快激光器稳定性、光束整形系统的精密控制以及成套装备的工程化适配等方面，与国际领先水平（如德国Trumpf、相干公司等）仍存在一定差距。国产激光切割设备在消费电子玻璃基板加工等领域已实现规模化应用，但在半导体级玻璃基板的高端应用中，设备的加工一致性、长期运行可靠性和智能化水平仍需进一步提升。
3 总结与展望
玻璃基板凭借低介电损耗、低热膨胀系数、高表面平整度等优异性能，在先进封装领域展现出不可替代的应用价值，但其脆性本质导致切割过程中微裂纹的产生与扩展成为制约其可靠性的核心瓶颈。
微裂纹的萌生源于玻璃本征缺陷、环境化学作用、机械加工损伤及热致效应，其扩展遵循Inglis应力集中理论、Griffith能量平衡理论及应力强度因子判据，当缺陷长度超出临界值时易引发失稳扩展。机械切割通过刀具与工艺参数优化可显著改善边缘质量，激光切割尤其是超快激光技术凭借非接触、低损伤优势成为高端应用首选，不同工艺需根据玻璃基板类型、厚度及精度要求差异化选择。
面向未来，玻璃基板切割技术将沿着四个方向深度发展，具体技术展望内容如下：
基础理论与材料创新：发展原位高分辨表征技术，旨在揭示微裂纹的动态演化机制，并构建微裂纹扩展路径的预测模型。同时，通过研发具有梯度模量的复合玻璃体系，从材料层面提升其本征断裂韧性，从而在根源上抑制裂纹的萌生与扩展。
智能工艺与技术融合：引领切割方式的变革，关键在于研发基于实时监测的自适应参数调控系统。该系统能够动态优化激光能量、扫描速度及聚焦深度，或实时调整刀轮的加工参数，以实现对切割质量的精准闭环控制。
复杂结构与异质集成：面向异质集成基板的加工需求，需发展多波长激光协同切割技术，以分别优化对不同材料的加工参数。同时，深入研究有机-无机界面的应力缓冲机制，旨在缓解多材料体系因热膨胀系数失配而引发的层间剥离问题。
产业集成与标准构建：推动规模化应用的核心在于开发集激光切割、在线检测与激光退火修复功能于一体的集成设备。此外，必须依据不同应用场景，制定明确的玻璃基板切割质量标准，量化崩边尺寸、表面粗糙度及残余应力等关键指标的阈值，为实现大尺寸玻璃基板的高效、高良率切割提供全面支持。
通过上述多维度协同创新，玻璃基板切割技术将突破“高精度、低损伤、高效率”的技术瓶颈，为后摩尔时代先进封装提供核心工艺支撑，加速我国在半导体先进封装领域的技术自主与产业升级。
来源：龚琪，郑众，方洲，等．电子封装用超薄玻璃基板切割方法研究进展[J]．电子与封装，2026，26(7):070007. 侵删
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