引用論文

鄭李娟, 孫勇, 徐向前, 余舉滿, 王軍, 王成勇. 異質多元多層復合材料激光微細加工研究進展[J]. 機械工程學報, 2025, 61(1): 305-325.

ZHENG Lijuan, SUN Yong, XU Xiangqian, YU Juman, WANG Jun, WANG Chengyong. Laser Micromachining of Heterogeneous Multi-layer Composite Materials:A Review[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(1): 305-325.

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高端印制電路板是一種典型的異質多元多層復合材料，其上孔、槽、線路和圖案等微細結構的加工質量決定了芯片、航空航天、5G/6G通信、超算等核心電子器件的使役性能。隨著印制電路板材料組成越來越復雜、加工尺度極端微細化、加工質量要求高且評價體系復雜等，為高端印制電路板的孔、槽等微細結構激光加工帶來巨大挑戰 。廣東工業大學王成勇教授團隊針對異質多元多層復合材料激光微細加工技術的研究進展進行綜述，系統分析新材料、極端尺度微細結構對激光微細加工工藝帶來的技術變革，并指出其面臨的技術挑戰和未來的發展方向，旨在為高端印制電路板的微細結構激光加工制造提供指導和借鑒 。

本文作為《機械工程學報》2025年第1期的封面文章發表，期望相關工作為印制電路板激光加工技術發展提供參考。

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行業現狀

印制電路板（PCB）在半導體、人工智能、航空航天、移動通信等高科技領域中發揮著關鍵作用，廣泛應用于核心電子系統。隨著技術的發展，印制電路板的制造要求不斷提高，其上孔、槽、圖案的加工質量以及線寬線距的大小決定了印制電路板的加工質量和電子器件的使役性能。這使得傳統的機械加工和化學蝕刻方法面臨諸多挑戰，如效率低、質量差、易受材料特性限制等。激光加工，尤其是超快激光技術，憑借其高精度、高質量和低熱影響的特點，逐漸成為高端印制電路板制造中不可或缺的技術。

行業內常用的PCB激光加工方式包括：傳統的CO2激光、Nd:YAG激光等長脈寬激光。超快激光由于其與材料極短的作用時間，能夠有效減少熱效應，確保高精度的微孔加工，滿足芯片載板、柔性電路板等高端電子產品的要求。隨著加工技術的不斷發展，多能場復合激光加工和光場時/空調控技術展現出巨大潛力，有望在提升加工精度、效率和質量一致性方面發揮重要作用，從而解決高端PCB制造中日益復雜的挑戰。

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異質多元多層印制電路板復合材料激光微細加工機理研究進展

2.1 單一基材的激光加工機理研究

2.1.1 金屬基材激光加工機理研究

總結了不同脈沖寬度激光與金屬基材的激光加工機理：當金屬基材與脈沖寬度在皮秒、飛秒激光作用時，超快激光脈沖持續時間極短，激光與材料的作用機理較為復雜，可以實現近似“冷加工”的材料去除效果。當與納秒激光作用時，通過熔融噴濺和汽化實現熱燒蝕材料去除。當與長脈寬激光作用時，激光輻照區材料在極短時間內產生升溫、融化、汽化，汽化產生氣體對熔融體產生反沖壓力，驅動熔融體向外噴濺從而實現材料去除。

2.1.2 非金屬高分子基材激光加工機理研究

總結了不同脈沖寬度激光與非金屬高分子基材的激光加工機理：大多學者普遍將高分子材料的激光去除機理分為：光化學反應下的去除過程和光熱反應下的材料去除過程。當高分子材料與如皮秒和飛秒激光的超短脈沖激光作用時，發生化學鍵的斷裂和光降解。當與納秒激光作用時，通過光化學反應破壞材料的分子鍵與離子鍵，再通過激光熱作用的累積，使得材料發生熔化、蒸發，從而實現材料去除。當與如CO2激光等長脈寬激光作用時，發生熱燒蝕去除。

2.1.3 非金屬硬脆材料基材激光加工機理研究

總結了不同脈沖寬度激光與非金屬硬脆材料基材的激光加工機理：超快激光作用于硬脆材料表面時，產生雪崩效應，材料表面發生轉變，能量累積后材料實現燒蝕去除。當納秒激光作用于硬脆材料表面時，去除機理主要包括光熱作用和光化學作用。當與CO2激光等長脈寬激光作用時，通過熱融化去除過程。

圖1 印制電路板金屬基材激光加工機理示意圖

2.2 復合材料整體的激光加工機理

印制電路板復合材料組成基材異常復雜，不同基材對不同種激光的響應不同，導致激光作用下印制電路板復合材料的加工機理并非其單一基材加工機理的簡單疊加，而是一個高度復雜的過程。由于觀測手段的缺乏，目前少數學者結合有限元仿真、分子動力學仿真等方式，對印制電路板復合材料的激光加工機理開展了相關研究，較多的研究集中在印制電路板復合材料單一基材以及其他復合材料上。

圖2 柔性電路板在 355 nm 皮秒激光作用下材料去除機理

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異質多元多層印制電路板復合材料激光加工微孔/槽表面成形機理研究進展

少數學者研究了印制電路板微孔加工缺陷與損傷（孔口噴濺、重鑄層、熱損傷、裂紋、孔壁粗糙、錐度過大、孔底殘膠、盲孔擊穿、縮膠）的形成過程，以及微槽表面成型機理。對于微槽結構的加工過程，實質上是激光微孔加工過程的疊加，逐點燒蝕、搭接去除，因此相鄰脈沖之間的作用存在相互影響，材料的成型機理較為復雜。

圖3 激光孔加工常見缺陷

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異質多元多層印制電路板復合材料激光加工工藝研究現狀

4.1 工藝參數影響規律研究進展

• 工藝參數優化對加工質量的影響：激光加工過程中，激光功率、光斑重疊率、掃描速度、重復頻率等參數的優化對印制電路板的微孔和槽加工質量有重要作用。多個參數共同作用時，需要進行精確調控以實現高質量、低損傷的加工。

• 神經網絡算法的應用：研究表明，神經網絡算法可用于激光微孔和微槽加工的參數優化和效果預測，提高加工過程的精度與穩定性。

• 材料特性對加工質量的影響：復合材料的激光吸收率及熔點等特性顯著影響加工質量，因此需要針對不同材料選擇合適的激光類型或進行分步加工。

圖4 影響印制電路板復合材料激光加工孔、槽的質量參數

4.2 加工方式研究進展

• 微孔加工方式分類：印制電路板微孔的加工方式可以分為復制法和輪廓迂回法。復制法存在能量輻照不均勻的問題，可能導致孔形差和錐度大；而輪廓迂回法適合加工高深徑比微孔，但也面臨熱影響區過大的問題。

• 旋切打孔優化：為解決孔型差和錐度過大的問題，提出了三步法旋切打孔，有效減小了微孔的錐度并改善了孔口形貌。

• 氣體噴射輔助加工：在激光微孔加工過程中，輔以高壓氣體噴射有助于去除孔壁的重鑄層，減少熱影響區，提升孔的圓度和形態。

圖5 印制電路板常用激光微孔加工方式

4.3 加工路徑研究進展

• 路徑優化提升加工效率：通過優化加工路徑，可以減少路徑交叉、重疊等問題，提高加工效率，有效分割加工區域。

• 高密度群孔的路徑規劃：路徑規劃對高密度群孔加工尤其重要，優化后的路徑減少了重復加工現象，提高了加工效率和質量。

圖6 旋切打孔加工路徑

4.4 總結

• 高端印制電路板的加工挑戰：隨著印制電路板基材和結構的日益復雜，傳統的激光加工工藝和優化方法面臨巨大挑戰，超快激光加工依然無法完全解決微孔形貌質量和熱影響問題。

• 新技術的需求：為了滿足高端印制電路板對極小尺寸、極高深徑比和一致性質量的要求，急需突破傳統激光加工技術，探索新技術來提升加工精度和質量。

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展望

5.1 多元多層復合材料激光微細加工面臨的挑戰

• 高端電路板的復雜需求：隨著高端印制電路板向多層、高密度、小型化和集成化發展，微孔尺寸、微孔群密度、加工質量和精度的要求顯著提高，導致激光加工面臨多種挑戰。

• 加工中的復雜性：激光加工過程中存在材料復雜性、尺寸限制、燒蝕閾值差異、激光作用機理復雜性及質量評價的復雜性等問題，影響了加工精度和質量。

• 超快激光的潛力與局限：雖然超快激光具有高精度和環保的優勢，但在實際應用中仍面臨加工效率低、缺陷和損傷等問題，尚未廣泛應用于印制電路板制造中。

• 改善方法的局限性：盡管已有研究從缺陷機理、工藝參數優化等方面展開，但由于材料和激光類型的多樣性，現有的改善方法未能普遍適用，效果有限。

圖7 印制電路板復合材料激光加工的復雜性

5.2 未來發展趨勢

• 多能場復合激光加工：結合低溫、超聲等多種能場，能有效改善單一激光加工的缺陷，如等離子體屏蔽、熱影響區過大、熔融噴濺等問題。這種方法雖然有潛力，但在印制電路板復合材料中的應用仍處于初步階段，需要進一步的研究。

• 光場時/空整形：通過調控光場時域與空間整形，能夠優化激光的能量分布，減少熱效應并提升微孔加工質量。光束整形技術對于高深徑比微孔結構尤其重要，未來可實現高精度的加工。該技術在印制電路板微孔加工中尚需進一步研究，特別是如何揭示激光與材料的作用機理，以及如何針對不同結構選擇合適的光場整形方式。

圖8 印制電路板復合材料及其基材多能場復合激光加工

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結論

從激光加工角度出發，總結了印制電路板復合材料的激光加工機理，印制電路板復合材料微孔、槽的激光加工成形機理，從印制電路板復合材料激光加工的工藝參數優化、加工方式優化和加工路徑優化三個方面綜述了目前國內外的相關研究進展，展望了多能場復合激光加工和光場時\空調控加工在印制電路板復合材料上的研究與應用前景。從目前研究現狀來看，得出以下結論：

（1） 異質多元多層復合材料的激光加工機理關于多元多層復合材料的激光加工機理研究較少，少數學者通過實驗結果觀測、有限元仿真和分子動力學仿真等手段分析了激光加工復合材料過程，但還需要尋求新的檢測手段進行更深入的研究。大多數學者針對復合材料的基材的激光加工機理進行了研究，對于如銅箔和鋁板的金屬基材，激光加工機理主要有材料在超短脈沖激光作用下直接汽化去除，也有認為是靜電分離實現材料去除，在脈沖寬度較長激光作用下，材料通過熱燒蝕實現去除，同時也有學者認為金屬基材的激光去除機理與激光產生的機械應力波相關；對于如環氧樹脂、PI和PTFE等非金屬高分子材料，激光加工機理分為光化學作用和光熱作用；對于非金屬硬脆材料如陶瓷填料、玻璃纖維等，有認為在超短脈沖激光作用下材料發生雪崩電離實現材料去除，也有認為是由于光化學作用斷鍵實現材料去除，在較長脈沖寬度激光作用下由于熱燒蝕實現材料去除 ；

（2） 異質多元多層復合材料的激光加工成形機理目前，針對多元多層復合材料的孔/槽成形過程少數學者做了相關缺陷與損傷的產生過程分析，印制電路板復合材料的孔、槽成形過程并非單一基材激光孔和槽成形過程的簡單疊加，而是一個伴隨著缺陷和損傷產生的、涉及光和熱復雜反應的成形過程；孔的成形過程以激光與材料在加工過程中是否發生相對位移為標準分為復制法和輪廓迂回法，材料逐層去除從而實現孔的成形，但孔的激光加工過程會出現孔口噴濺、重鑄層、熱損傷、裂紋等缺陷與損傷問題的產生。槽和圖案的成形過程則是通過激光脈沖的逐點燒蝕、搭接去除而成形，成形過程中存在粗糙、玻纖突出、熔融噴濺、崩邊和燒蝕過度等缺陷與損傷問題；但是關于激光如何逐層作用形成各層表面，且不同基材成形過程是否存在相互影響等還沒有詳細報道 。

（3） 異質多元多層復合材料的激光加工工藝目前多元多層復合材料的激光微細加工工藝方面的研究主要集中在工藝參數、加工方式和加工路徑對加工質量和加工效率的影響方面，工藝參數的優化是調控最根本的途徑，加工方式的優化可以有效優化成形過程并改善加工質量，加工路徑的優化可以有效提升加工的效率和質量；但這三種加工工藝優化方式調控范圍窄，針對性不強，且還沒有與加工材料-加工尺度-激光類型-質量等形成系統的關系模型，并形成對加工質量的預測與指導 。

（4） 面臨挑戰和未來趨勢隨著芯片、航空航天、4G\5G\6G通信、超算等核心電子器件的發展，對高端電路板提出了加工尺寸極小、加工質量一致性極高的要求，尺度趨于極限，如孔徑小于20μm、深徑比高于20:1、100層以上；材料愈加復雜，如陶瓷填料高達60%以上；質量要求高且評價體系復雜，如微孔加工既需要達到規定的孔徑、圓度、錐度，又需要微孔形貌質量好，群孔質量一致性高。因此，對復合材料極端尺度微細結構的加工提出了巨大挑戰。傳統高斯激光因能量分布的差異已逐漸無法滿足尺寸極小、深徑比極大、加工質量一致性極高的加工要求。多能場復合激光加工以及光場的時/空整形可以實現印制電路板復合材料激光加工質量的精準調控，且可以有效改善加工形貌和加工效率，未來有望解決高端印制電路板制造“尺寸極小、深徑比極大、質量一致性極高”的難題 。

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團隊研究方向

廣東工業大學高效精密制造技術與裝備研究團隊（IMT團隊）

IMT團隊致力于全面提高高效、精密、綠色制造技術的應用基礎理論、應用基礎工藝、工具與裝備的研究與技術創新能力，構建機械制造科學中的高性能零件/構件的精密制造基礎科學理論體系，是國內最早從事高速加工、硬脆材料加工、印制電路板加工、生物組織切除與醫療器械和涂層刀具研究等的主要研究團隊之一。主要研究領域難加工材料高效精密綠色制造技術與裝備，以及微創手術器械設計與精密制造等；涉及機械加工、金屬與非金屬增材制造、超聲加工、激光加工、FIB加工、CT與圖像識別與檢測、手術輔助機器人等多個領域。

團隊建設有高性能工具全國重點實驗室、廣東省微創手術器械設計與精密制造重點實驗室、廣東高校現代產品設計與制造技術實驗室、廣東省印制電子電路制造工程技術研究中心以及廣東省高技術陶瓷精密制造工程技術研究中心等。與國內外若干重點企業開展緊密的產學研用合作，成立多個合作研發機構，多項研發成果實現產業化，并獲得良好的社會與經濟效益。

團隊研發成果曾獲國家科學技術進步獎二等獎（2019年）、中國機械工業科學技術獎一等獎（2018年）、廣東省科技進步獎一等獎（2020年，2014年）、廣東省自然科學獎二等獎（2009）和廣東省科技進步二等獎（2006），2023年團隊獲“第二十五屆廣東青年五四獎章集體”。

團隊將努力建設成為解決國家特別是粵港澳大灣區現代產業、戰略性新興產業以及醫療器械健康產業中卡脖子與前沿的核心科學問題和關鍵共性技術問題的重要研究基地，為全國制造業的高端裝備、通信技術、微電子3C、新能源汽車、航空航天、高性能醫療器械、海洋工程、軌道交通等產業的長遠發展，提供基礎性、戰略性、前瞻性的先進制造技術知識儲備、技術和人才支撐。

作者及團隊介紹

王成勇， 教授、博士生導師，高性能工具全國重點實驗室主任（廣東工業大學），廣東省微創手術器械設計與精密制造重點實驗室主任，享受國務院政府特殊津貼專家，廣東特支計劃杰出人才、廣東省五一勞動獎章獲得者。兼任中國機械制造工藝協會副理事長、中國機械工程學會生產工程分會常務理事等，《CJME》、《機械工程學報》和《中國機械工程》等雜志編委、《工具技術》主編等；全國光輻射安全和激光設備標準化技術委員會第四屆激光材料加工和激光設備分技術委員會(SAC/TC284/SC1)主任委員， 全國刀具標準化技術委員會（TC91）委員，國家藥品監督管理局醫療器械分類技術委員會醫用軟件專業組委員，第二、三屆廣東省石材標準化技術委員會主任委員，廣東省醫療器械標準化技術委員會（第三屆）副主任委員；首屆教育部課程思政教學名師、教學團隊與示范項目負責人、首批國家級一流本科課程負責人、兼任教育部機械類課程教指委委員、廣東省本科高校機械類專業教指委主任委員，獲廣東省高校教學名師獎。長期從事高端數控裝備與加工工藝、高端醫療器械研究。主持國家自然科學基金項目14項（其中重點項目3項，原創探索項目2項），授權國家發明專利163項，近五年成果轉化金額近4000萬；近五年在《CJME》、《機械工程學報》、《IJMTM》、《AFM》、《JMPT 》等發表高水平論文20余篇；作為第一完成人的成果獲國家科學技術進步獎二等獎（2019年）、中國機械工業科學技術獎一等獎（2018年）、廣東省科技進步獎一等獎（2020年，2014年）和廣東省自然科學二等獎（2009），2021年獲廣東省丁穎科技獎；連續多年入選全球前2%頂尖科學家榜單。

鄭李娟，廣東工業大學機電工程學院副院長、教授、博士生導師。國家高層次青年人才，國家級課程思政教學名師，國家科技進步獎、廣東五四青年獎章個人獲得者，入選2024“強國青年科學家”引領計劃。兼任中國科協十屆委員，中國機械工程學會粵港澳青年會員工作站站長等。主持國家自然科學基金優秀青年基金、面上基金、國家科技重大專項子課題等項目近20項。在機械工程TOP期刊《機械工程學報》、INT J MACH TOOL MANU、J MATER PROCESS TECH.等發表高水平論文60多篇；授權發明專利63項；參與制定行業標準1項，團體標準1項，企業標準5項；通過科技成果鑒定3項和新產品鑒定14項；獲國家科技進步二等獎1項、省部級科技進步一等獎3項、中國產學研合作創新獎等社會力量獎8項。

作 者：鄭李娟

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 強

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