引用論文
鄭李娟, 孫勇, 徐向前, 余舉滿, 王軍, 王成勇. 異質(zhì)多元多層復(fù)合材料激光微細加工研究進展[J]. 機械工程學(xué)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(zhì)多元多層復(fù)合材料，其上孔、槽、線路和圖案等微細結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)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(fù)雜、加工尺度極端微細化、加工質(zhì)量要求高且評價體系復(fù)雜等，為高端印制電路板的孔、槽等微細結(jié)構(gòu)激光加工帶來巨大挑戰(zhàn) 。廣東工業(yè)大學(xué)王成勇教授團隊針對異質(zhì)多元多層復(fù)合材料激光微細加工技術(shù)的研究進展進行綜述，系統(tǒng)分析新材料、極端尺度微細結(jié)構(gòu)對激光微細加工工藝帶來的技術(shù)變革，并指出其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向，旨在為高端印制電路板的微細結(jié)構(gòu)激光加工制造提供指導(dǎo)和借鑒 。
本文作為《機械工程學(xué)報》2025年第1期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為印制電路板激光加工技術(shù)發(fā)展提供參考。
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行業(yè)現(xiàn)狀
印制電路板（PCB）在半導(dǎo)體、人工智能、航空航天、移動通信等高科技領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，廣泛應(yīng)用于核心電子系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)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(zhì)量以及線寬線距的大小決定了印制電路板的加工質(zhì)量和電子器件的使役性能。這使得傳統(tǒng)的機械加工和化學(xué)蝕刻方法面臨諸多挑戰(zhàn)，如效率低、質(zhì)量差、易受材料特性限制等。激光加工，尤其是超快激光技術(shù)，憑借其高精度、高質(zhì)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(shù)。
行業(yè)內(nèi)常用的PCB激光加工方式包括：傳統(tǒng)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(yīng)，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(chǎn)品的要求。隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，多能場復(fù)合激光加工和光場時/空調(diào)控技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力，有望在提升加工精度、效率和質(zhì)量一致性方面發(fā)揮重要作用，從而解決高端PCB制造中日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。
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異質(zhì)多元多層印制電路板復(fù)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(jié)了不同脈沖寬度激光與金屬基材的激光加工機理：當(dāng)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(xù)時間極短，激光與材料的作用機理較為復(fù)雜，可以實現(xiàn)近似“冷加工”的材料去除效果。當(dāng)與納秒激光作用時，通過熔融噴濺和汽化實現(xiàn)熱燒蝕材料去除。當(dāng)與長脈寬激光作用時，激光輻照區(qū)材料在極短時間內(nèi)產(chǎn)生升溫、融化、汽化，汽化產(chǎn)生氣體對熔融體產(chǎn)生反沖壓力，驅(qū)動熔融體向外噴濺從而實現(xiàn)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(jié)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(xué)者普遍將高分子材料的激光去除機理分為：光化學(xué)反應(yīng)下的去除過程和光熱反應(yīng)下的材料去除過程。當(dāng)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(fā)生化學(xué)鍵的斷裂和光降解。當(dāng)與納秒激光作用時，通過光化學(xué)反應(yīng)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(fā)生熔化、蒸發(fā)，從而實現(xiàn)材料去除。當(dāng)與如CO2激光等長脈寬激光作用時，發(fā)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(jié)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(chǎn)生雪崩效應(yīng)，材料表面發(fā)生轉(zhuǎn)變，能量累積后材料實現(xiàn)燒蝕去除。當(dāng)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(xué)作用。當(dāng)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(fù)合材料整體的激光加工機理
印制電路板復(fù)合材料組成基材異常復(fù)雜，不同基材對不同種激光的響應(yīng)不同，導(dǎo)致激光作用下印制電路板復(fù)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(fù)雜的過程。由于觀測手段的缺乏，目前少數(shù)學(xué)者結(jié)合有限元仿真、分子動力學(xué)仿真等方式，對印制電路板復(fù)合材料的激光加工機理開展了相關(guān)研究，較多的研究集中在印制電路板復(fù)合材料單一基材以及其他復(fù)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(zhì)多元多層印制電路板復(fù)合材料激光加工微孔/槽表面成形機理研究進展
少數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)的加工過程，實質(zhì)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(fù)雜。
圖3 激光孔加工常見缺陷
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異質(zhì)多元多層印制電路板復(fù)合材料激光加工工藝研究現(xiàn)狀
4.1 工藝參數(shù)影響規(guī)律研究進展
工藝參數(shù)優(yōu)化對加工質(zhì)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(fù)頻率等參數(shù)的優(yōu)化對印制電路板的微孔和槽加工質(zhì)量有重要作用。多個參數(shù)共同作用時，需要進行精確調(diào)控以實現(xiàn)高質(zhì)量、低損傷的加工。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用：研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可用于激光微孔和微槽加工的參數(shù)優(yōu)化和效果預(yù)測，提高加工過程的精度與穩(wěn)定性。
材料特性對加工質(zhì)量的影響：復(fù)合材料的激光吸收率及熔點等特性顯著影響加工質(zhì)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(fù)合材料激光加工孔、槽的質(zhì)量參數(shù)
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(fù)制法和輪廓迂回法。復(fù)制法存在能量輻照不均勻的問題，可能導(dǎo)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(qū)過大的問題。
旋切打孔優(yōu)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(qū)，提升孔的圓度和形態(tài)。
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(yōu)化提升加工效率：通過優(yōu)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(qū)域。
高密度群孔的路徑規(guī)劃：路徑規(guī)劃對高密度群孔加工尤其重要，優(yōu)化后的路徑減少了重復(fù)加工現(xiàn)象，提高了加工效率和質(zhì)量。
圖6 旋切打孔加工路徑
4.4 總結(jié)
高端印制電路板的加工挑戰(zhàn)：隨著印制電路板基材和結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的激光加工工藝和優(yōu)化方法面臨巨大挑戰(zhàn)，超快激光加工依然無法完全解決微孔形貌質(zhì)量和熱影響問題。
新技術(shù)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(zhì)量的要求，急需突破傳統(tǒng)激光加工技術(shù)，探索新技術(shù)來提升加工精度和質(zhì)量。
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展望
5.1 多元多層復(fù)合材料激光微細加工面臨的挑戰(zhàn)
高端電路板的復(fù)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(fā)展，微孔尺寸、微孔群密度、加工質(zhì)量和精度的要求顯著提高，導(dǎo)致激光加工面臨多種挑戰(zhàn)。
加工中的復(fù)雜性：激光加工過程中存在材料復(fù)雜性、尺寸限制、燒蝕閾值差異、激光作用機理復(fù)雜性及質(zhì)量評價的復(fù)雜性等問題，影響了加工精度和質(zhì)量。
超快激光的潛力與局限：雖然超快激光具有高精度和環(huán)保的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍面臨加工效率低、缺陷和損傷等問題，尚未廣泛應(yīng)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(shù)優(yōu)化等方面展開，但由于材料和激光類型的多樣性，現(xiàn)有的改善方法未能普遍適用，效果有限。
圖7 印制電路板復(fù)合材料激光加工的復(fù)雜性
5.2 未來發(fā)展趨勢
多能場復(fù)合激光加工：結(jié)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(qū)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(fù)合材料中的應(yīng)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(diào)控光場時域與空間整形，能夠優(yōu)化激光的能量分布，減少熱效應(yīng)并提升微孔加工質(zhì)量。光束整形技術(shù)對于高深徑比微孔結(jié)構(gòu)尤其重要，未來可實現(xiàn)高精度的加工。該技術(shù)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(jié)構(gòu)選擇合適的光場整形方式。
圖8 印制電路板復(fù)合材料及其基材多能場復(fù)合激光加工
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結(jié)論
從激光加工角度出發(fā)，總結(jié)了印制電路板復(fù)合材料的激光加工機理，印制電路板復(fù)合材料微孔、槽的激光加工成形機理，從印制電路板復(fù)合材料激光加工的工藝參數(shù)優(yōu)化、加工方式優(yōu)化和加工路徑優(yōu)化三個方面綜述了目前國內(nèi)外的相關(guān)研究進展，展望了多能場復(fù)合激光加工和光場時\空調(diào)控加工在印制電路板復(fù)合材料上的研究與應(yīng)用前景。從目前研究現(xiàn)狀來看，得出以下結(jié)論：
（1） 異質(zhì)多元多層復(fù)合材料的激光加工機理關(guān)于多元多層復(fù)合材料的激光加工機理研究較少，少數(shù)學(xué)者通過實驗結(jié)果觀測、有限元仿真和分子動力學(xué)仿真等手段分析了激光加工復(fù)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(shù)學(xué)者針對復(fù)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(xiàn)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(xiàn)去除，同時也有學(xué)者認為金屬基材的激光去除機理與激光產(chǎn)生的機械應(yīng)力波相關(guān)；對于如環(huán)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(xué)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(fā)生雪崩電離實現(xiàn)材料去除，也有認為是由于光化學(xué)作用斷鍵實現(xiàn)材料去除，在較長脈沖寬度激光作用下由于熱燒蝕實現(xiàn)材料去除 ；
（2） 異質(zhì)多元多層復(fù)合材料的激光加工成形機理目前，針對多元多層復(fù)合材料的孔/槽成形過程少數(shù)學(xué)者做了相關(guān)缺陷與損傷的產(chǎn)生過程分析，印制電路板復(fù)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(chǎn)生的、涉及光和熱復(fù)雜反應(yīng)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(fā)生相對位移為標準分為復(fù)制法和輪廓迂回法，材料逐層去除從而實現(xiàn)孔的成形，但孔的激光加工過程會出現(xiàn)孔口噴濺、重鑄層、熱損傷、裂紋等缺陷與損傷問題的產(chǎn)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(guān)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(zhì)多元多層復(fù)合材料的激光加工工藝目前多元多層復(fù)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(shù)、加工方式和加工路徑對加工質(zhì)量和加工效率的影響方面，工藝參數(shù)的優(yōu)化是調(diào)控最根本的途徑，加工方式的優(yōu)化可以有效優(yōu)化成形過程并改善加工質(zhì)量，加工路徑的優(yōu)化可以有效提升加工的效率和質(zhì)量；但這三種加工工藝優(yōu)化方式調(diào)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(zhì)量等形成系統(tǒng)的關(guān)系模型，并形成對加工質(zhì)量的預(yù)測與指導(dǎo) 。
（4） 面臨挑戰(zhàn)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(fā)展，對高端電路板提出了加工尺寸極小、加工質(zhì)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(fù)雜，如陶瓷填料高達60%以上；質(zhì)量要求高且評價體系復(fù)雜，如微孔加工既需要達到規(guī)定的孔徑、圓度、錐度，又需要微孔形貌質(zhì)量好，群孔質(zhì)量一致性高。因此，對復(fù)合材料極端尺度微細結(jié)構(gòu)的加工提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)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(zhì)量一致性極高的加工要求。多能場復(fù)合激光加工以及光場的時/空整形可以實現(xiàn)印制電路板復(fù)合材料激光加工質(zhì)量的精準調(diào)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(zhì)量一致性極高”的難題 。
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團隊研究方向
廣東工業(yè)大學(xué)高效精密制造技術(shù)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(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論、應(yīng)用基礎(chǔ)工藝、工具與裝備的研究與技術(shù)創(chuàng)新能力，構(gòu)建機械制造科學(xué)中的高性能零件/構(gòu)件的精密制造基礎(chǔ)科學(xué)理論體系，是國內(nèi)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(yī)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(lǐng)域難加工材料高效精密綠色制造技術(shù)與裝備，以及微創(chuàng)手術(shù)器械設(shè)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(shù)輔助機器人等多個領(lǐng)域。
團隊建設(shè)有高性能工具全國重點實驗室、廣東省微創(chuàng)手術(shù)器械設(shè)計與精密制造重點實驗室、廣東高?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與制造技術(shù)實驗室、廣東省印制電子電路制造工程技術(shù)研究中心以及廣東省高技術(shù)陶瓷精密制造工程技術(shù)研究中心等。與國內(nèi)外若干重點企業(yè)開展緊密的產(chǎn)學(xué)研用合作，成立多個合作研發(fā)機構(gòu)，多項研發(fā)成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并獲得良好的社會與經(jīng)濟效益。
團隊研發(fā)成果曾獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎（2019年）、中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)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(xué)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?wù)录w”。
團隊將努力建設(shè)成為解決國家特別是粵港澳大灣區(qū)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以及醫(yī)療器械健康產(chǎn)業(yè)中卡脖子與前沿的核心科學(xué)問題和關(guān)鍵共性技術(shù)問題的重要研究基地，為全國制造業(yè)的高端裝備、通信技術(shù)、微電子3C、新能源汽車、航空航天、高性能醫(yī)療器械、海洋工程、軌道交通等產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展，提供基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、前瞻性的先進制造技術(shù)知識儲備、技術(shù)和人才支撐。
作者及團隊介紹
王成勇， 教授、博士生導(dǎo)師，高性能工具全國重點實驗室主任（廣東工業(yè)大學(xué)），廣東省微創(chuàng)手術(shù)器械設(shè)計與精密制造重點實驗室主任，享受國務(wù)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?wù)芦@得者。兼任中國機械制造工藝協(xié)會副理事長、中國機械工程學(xué)會生產(chǎn)工程分會常務(wù)理事等，《CJME》、《機械工程學(xué)報》和《中國機械工程》等雜志編委、《工具技術(shù)》主編等；全國光輻射安全和激光設(shè)備標準化技術(shù)委員會第四屆激光材料加工和激光設(shè)備分技術(shù)委員會(SAC/TC284/SC1)主任委員， 全國刀具標準化技術(shù)委員會（TC91）委員，國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械分類技術(shù)委員會醫(yī)用軟件專業(yè)組委員，第二、三屆廣東省石材標準化技術(shù)委員會主任委員，廣東省醫(yī)療器械標準化技術(shù)委員會（第三屆）副主任委員；首屆教育部課程思政教學(xué)名師、教學(xué)團隊與示范項目負責(zé)人、首批國家級一流本科課程負責(zé)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(yè)教指委主任委員，獲廣東省高校教學(xué)名師獎。長期從事高端數(shù)控裝備與加工工藝、高端醫(yī)療器械研究。主持國家自然科學(xué)基金項目14項（其中重點項目3項，原創(chuàng)探索項目2項），授權(quán)國家發(fā)明專利163項，近五年成果轉(zhuǎn)化金額近4000萬；近五年在《CJME》、《機械工程學(xué)報》、《IJMTM》、《AFM》、《JMPT 》等發(fā)表高水平論文20余篇；作為第一完成人的成果獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎（2019年）、中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)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(xué)二等獎（2009），2021年獲廣東省丁穎科技獎；連續(xù)多年入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。
鄭李娟，廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院副院長、教授、博士生導(dǎo)師。國家高層次青年人才，國家級課程思政教學(xué)名師，國家科技進步獎、廣東五四青年獎?wù)聜€人獲得者，入選2024“強國青年科學(xué)家”引領(lǐng)計劃。兼任中國科協(xié)十屆委員，中國機械工程學(xué)會粵港澳青年會員工作站站長等。主持國家自然科學(xué)基金優(yōu)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(xué)報》、INT J MACH TOOL MANU、J MATER PROCESS TECH.等發(fā)表高水平論文60多篇；授權(quán)發(fā)明專利63項；參與制定行業(yè)標準1項，團體標準1項，企業(yè)標準5項；通過科技成果鑒定3項和新產(chǎn)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(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎等社會力量獎8項。
作 者：鄭李娟
責(zé)任編輯：杜蔚杰
責(zé)任校對：張 強
審 核：張 強
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