广东工业大学郑李娟教授团队：异质多元多层复合材料激光微细加工研究进展丨JME封面文章

引用论文

郑李娟, 孙勇, 徐向前, 余举满, 王军, 王成勇. 异质多元多层复合材料激光微细加工研究进展[J]. 机械工程学报, 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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高端印制电路板是一种典型的异质多元多层复合材料，其上孔、槽、线路和图案等微细结构的加工质量决定了芯片、航空航天、5G/6G通信、超算等核心电子器件的使役性能。随着印制电路板材料组成越来越复杂、加工尺度极端微细化、加工质量要求高且评价体系复杂等，为高端印制电路板的孔、槽等微细结构激光加工带来巨大挑战 。广东工业大学王成勇教授团队针对异质多元多层复合材料激光微细加工技术的研究进展进行综述，系统分析新材料、极端尺度微细结构对激光微细加工工艺带来的技术变革，并指出其面临的技术挑战和未来的发展方向，旨在为高端印制电路板的微细结构激光加工制造提供指导和借鉴 。

本文作为《机械工程学报》2025年第1期的封面文章发表，期望相关工作为印制电路板激光加工技术发展提供参考。

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行业现状

印制电路板（PCB）在半导体、人工智能、航空航天、移动通信等高科技领域中发挥着关键作用，广泛应用于核心电子系统。随着技术的发展，印制电路板的制造要求不断提高，其上孔、槽、图案的加工质量以及线宽线距的大小决定了印制电路板的加工质量和电子器件的使役性能。这使得传统的机械加工和化学蚀刻方法面临诸多挑战，如效率低、质量差、易受材料特性限制等。激光加工，尤其是超快激光技术，凭借其高精度、高质量和低热影响的特点，逐渐成为高端印制电路板制造中不可或缺的技术。

行业内常用的PCB激光加工方式包括：传统的CO2激光、Nd:YAG激光等长脉宽激光。超快激光由于其与材料极短的作用时间，能够有效减少热效应，确保高精度的微孔加工，满足芯片载板、柔性电路板等高端电子产品的要求。随着加工技术的不断发展，多能场复合激光加工和光场时/空调控技术展现出巨大潜力，有望在提升加工精度、效率和质量一致性方面发挥重要作用，从而解决高端PCB制造中日益复杂的挑战。

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异质多元多层印制电路板复合材料激光微细加工机理研究进展

2.1 单一基材的激光加工机理研究

2.1.1 金属基材激光加工机理研究

总结了不同脉冲宽度激光与金属基材的激光加工机理：当金属基材与脉冲宽度在皮秒、飞秒激光作用时，超快激光脉冲持续时间极短，激光与材料的作用机理较为复杂，可以实现近似“冷加工”的材料去除效果。当与纳秒激光作用时，通过熔融喷溅和汽化实现热烧蚀材料去除。当与长脉宽激光作用时，激光辐照区材料在极短时间内产生升温、融化、汽化，汽化产生气体对熔融体产生反冲压力，驱动熔融体向外喷溅从而实现材料去除。

2.1.2 非金属高分子基材激光加工机理研究

总结了不同脉冲宽度激光与非金属高分子基材的激光加工机理：大多学者普遍将高分子材料的激光去除机理分为：光化学反应下的去除过程和光热反应下的材料去除过程。当高分子材料与如皮秒和飞秒激光的超短脉冲激光作用时，发生化学键的断裂和光降解。当与纳秒激光作用时，通过光化学反应破坏材料的分子键与离子键，再通过激光热作用的累积，使得材料发生熔化、蒸发，从而实现材料去除。当与如CO2激光等长脉宽激光作用时，发生热烧蚀去除。

2.1.3 非金属硬脆材料基材激光加工机理研究

总结了不同脉冲宽度激光与非金属硬脆材料基材的激光加工机理：超快激光作用于硬脆材料表面时，产生雪崩效应，材料表面发生转变，能量累积后材料实现烧蚀去除。当纳秒激光作用于硬脆材料表面时，去除机理主要包括光热作用和光化学作用。当与CO2激光等长脉宽激光作用时，通过热融化去除过程。

图1 印制电路板金属基材激光加工机理示意图

2.2 复合材料整体的激光加工机理

印制电路板复合材料组成基材异常复杂，不同基材对不同种激光的响应不同，导致激光作用下印制电路板复合材料的加工机理并非其单一基材加工机理的简单叠加，而是一个高度复杂的过程。由于观测手段的缺乏，目前少数学者结合有限元仿真、分子动力学仿真等方式，对印制电路板复合材料的激光加工机理开展了相关研究，较多的研究集中在印制电路板复合材料单一基材以及其他复合材料上。

图2 柔性电路板在 355 nm 皮秒激光作用下材料去除机理

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异质多元多层印制电路板复合材料激光加工微孔/槽表面成形机理研究进展

少数学者研究了印制电路板微孔加工缺陷与损伤（孔口喷溅、重铸层、热损伤、裂纹、孔壁粗糙、锥度过大、孔底残胶、盲孔击穿、缩胶）的形成过程，以及微槽表面成型机理。对于微槽结构的加工过程，实质上是激光微孔加工过程的叠加，逐点烧蚀、搭接去除，因此相邻脉冲之间的作用存在相互影响，材料的成型机理较为复杂。

图3 激光孔加工常见缺陷

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异质多元多层印制电路板复合材料激光加工工艺研究现状

4.1 工艺参数影响规律研究进展

• 工艺参数优化对加工质量的影响：激光加工过程中，激光功率、光斑重叠率、扫描速度、重复频率等参数的优化对印制电路板的微孔和槽加工质量有重要作用。多个参数共同作用时，需要进行精确调控以实现高质量、低损伤的加工。

• 神经网络算法的应用：研究表明，神经网络算法可用于激光微孔和微槽加工的参数优化和效果预测，提高加工过程的精度与稳定性。

• 材料特性对加工质量的影响：复合材料的激光吸收率及熔点等特性显著影响加工质量，因此需要针对不同材料选择合适的激光类型或进行分步加工。

图4 影响印制电路板复合材料激光加工孔、槽的质量参数

4.2 加工方式研究进展

• 微孔加工方式分类：印制电路板微孔的加工方式可以分为复制法和轮廓迂回法。复制法存在能量辐照不均匀的问题，可能导致孔形差和锥度大；而轮廓迂回法适合加工高深径比微孔，但也面临热影响区过大的问题。

• 旋切打孔优化：为解决孔型差和锥度过大的问题，提出了三步法旋切打孔，有效减小了微孔的锥度并改善了孔口形貌。

• 气体喷射辅助加工：在激光微孔加工过程中，辅以高压气体喷射有助于去除孔壁的重铸层，减少热影响区，提升孔的圆度和形态。

图5 印制电路板常用激光微孔加工方式

4.3 加工路径研究进展

• 路径优化提升加工效率：通过优化加工路径，可以减少路径交叉、重叠等问题，提高加工效率，有效分割加工区域。

• 高密度群孔的路径规划：路径规划对高密度群孔加工尤其重要，优化后的路径减少了重复加工现象，提高了加工效率和质量。

图6 旋切打孔加工路径

4.4 总结

• 高端印制电路板的加工挑战：随着印制电路板基材和结构的日益复杂，传统的激光加工工艺和优化方法面临巨大挑战，超快激光加工依然无法完全解决微孔形貌质量和热影响问题。

• 新技术的需求：为了满足高端印制电路板对极小尺寸、极高深径比和一致性质量的要求，急需突破传统激光加工技术，探索新技术来提升加工精度和质量。

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展望

5.1 多元多层复合材料激光微细加工面临的挑战

• 高端电路板的复杂需求：随着高端印制电路板向多层、高密度、小型化和集成化发展，微孔尺寸、微孔群密度、加工质量和精度的要求显著提高，导致激光加工面临多种挑战。

• 加工中的复杂性：激光加工过程中存在材料复杂性、尺寸限制、烧蚀阈值差异、激光作用机理复杂性及质量评价的复杂性等问题，影响了加工精度和质量。

• 超快激光的潜力与局限：虽然超快激光具有高精度和环保的优势，但在实际应用中仍面临加工效率低、缺陷和损伤等问题，尚未广泛应用于印制电路板制造中。

• 改善方法的局限性：尽管已有研究从缺陷机理、工艺参数优化等方面展开，但由于材料和激光类型的多样性，现有的改善方法未能普遍适用，效果有限。

图7 印制电路板复合材料激光加工的复杂性

5.2 未来发展趋势

• 多能场复合激光加工：结合低温、超声等多种能场，能有效改善单一激光加工的缺陷，如等离子体屏蔽、热影响区过大、熔融喷溅等问题。这种方法虽然有潜力，但在印制电路板复合材料中的应用仍处于初步阶段，需要进一步的研究。

• 光场时/空整形：通过调控光场时域与空间整形，能够优化激光的能量分布，减少热效应并提升微孔加工质量。光束整形技术对于高深径比微孔结构尤其重要，未来可实现高精度的加工。该技术在印制电路板微孔加工中尚需进一步研究，特别是如何揭示激光与材料的作用机理，以及如何针对不同结构选择合适的光场整形方式。

图8 印制电路板复合材料及其基材多能场复合激光加工

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结论

从激光加工角度出发，总结了印制电路板复合材料的激光加工机理，印制电路板复合材料微孔、槽的激光加工成形机理，从印制电路板复合材料激光加工的工艺参数优化、加工方式优化和加工路径优化三个方面综述了目前国内外的相关研究进展，展望了多能场复合激光加工和光场时\空调控加工在印制电路板复合材料上的研究与应用前景。从目前研究现状来看，得出以下结论：

（1） 异质多元多层复合材料的激光加工机理关于多元多层复合材料的激光加工机理研究较少，少数学者通过实验结果观测、有限元仿真和分子动力学仿真等手段分析了激光加工复合材料过程，但还需要寻求新的检测手段进行更深入的研究。大多数学者针对复合材料的基材的激光加工机理进行了研究，对于如铜箔和铝板的金属基材，激光加工机理主要有材料在超短脉冲激光作用下直接汽化去除，也有认为是静电分离实现材料去除，在脉冲宽度较长激光作用下，材料通过热烧蚀实现去除，同时也有学者认为金属基材的激光去除机理与激光产生的机械应力波相关；对于如环氧树脂、PI和PTFE等非金属高分子材料，激光加工机理分为光化学作用和光热作用；对于非金属硬脆材料如陶瓷填料、玻璃纤维等，有认为在超短脉冲激光作用下材料发生雪崩电离实现材料去除，也有认为是由于光化学作用断键实现材料去除，在较长脉冲宽度激光作用下由于热烧蚀实现材料去除 ；

（2） 异质多元多层复合材料的激光加工成形机理目前，针对多元多层复合材料的孔/槽成形过程少数学者做了相关缺陷与损伤的产生过程分析，印制电路板复合材料的孔、槽成形过程并非单一基材激光孔和槽成形过程的简单叠加，而是一个伴随着缺陷和损伤产生的、涉及光和热复杂反应的成形过程；孔的成形过程以激光与材料在加工过程中是否发生相对位移为标准分为复制法和轮廓迂回法，材料逐层去除从而实现孔的成形，但孔的激光加工过程会出现孔口喷溅、重铸层、热损伤、裂纹等缺陷与损伤问题的产生。槽和图案的成形过程则是通过激光脉冲的逐点烧蚀、搭接去除而成形，成形过程中存在粗糙、玻纤突出、熔融喷溅、崩边和烧蚀过度等缺陷与损伤问题；但是关于激光如何逐层作用形成各层表面，且不同基材成形过程是否存在相互影响等还没有详细报道 。

（3） 异质多元多层复合材料的激光加工工艺目前多元多层复合材料的激光微细加工工艺方面的研究主要集中在工艺参数、加工方式和加工路径对加工质量和加工效率的影响方面，工艺参数的优化是调控最根本的途径，加工方式的优化可以有效优化成形过程并改善加工质量，加工路径的优化可以有效提升加工的效率和质量；但这三种加工工艺优化方式调控范围窄，针对性不强，且还没有与加工材料-加工尺度-激光类型-质量等形成系统的关系模型，并形成对加工质量的预测与指导 。

（4） 面临挑战和未来趋势随着芯片、航空航天、4G\5G\6G通信、超算等核心电子器件的发展，对高端电路板提出了加工尺寸极小、加工质量一致性极高的要求，尺度趋于极限，如孔径小于20µm、深径比高于20:1、100层以上；材料愈加复杂，如陶瓷填料高达60%以上；质量要求高且评价体系复杂，如微孔加工既需要达到规定的孔径、圆度、锥度，又需要微孔形貌质量好，群孔质量一致性高。因此，对复合材料极端尺度微细结构的加工提出了巨大挑战。传统高斯激光因能量分布的差异已逐渐无法满足尺寸极小、深径比极大、加工质量一致性极高的加工要求。多能场复合激光加工以及光场的时/空整形可以实现印制电路板复合材料激光加工质量的精准调控，且可以有效改善加工形貌和加工效率，未来有望解决高端印制电路板制造“尺寸极小、深径比极大、质量一致性极高”的难题 。

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团队研究方向

广东工业大学高效精密制造技术与装备研究团队（IMT团队）

IMT团队致力于全面提高高效、精密、绿色制造技术的应用基础理论、应用基础工艺、工具与装备的研究与技术创新能力，构建机械制造科学中的高性能零件/构件的精密制造基础科学理论体系，是国内最早从事高速加工、硬脆材料加工、印制电路板加工、生物组织切除与医疗器械和涂层刀具研究等的主要研究团队之一。主要研究领域难加工材料高效精密绿色制造技术与装备，以及微创手术器械设计与精密制造等；涉及机械加工、金属与非金属增材制造、超声加工、激光加工、FIB加工、CT与图像识别与检测、手术辅助机器人等多个领域。

团队建设有高性能工具全国重点实验室、广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室、广东高校现代产品设计与制造技术实验室、广东省印制电子电路制造工程技术研究中心以及广东省高技术陶瓷精密制造工程技术研究中心等。与国内外若干重点企业开展紧密的产学研用合作，成立多个合作研发机构，多项研发成果实现产业化，并获得良好的社会与经济效益。

团队研发成果曾获国家科学技术进步奖二等奖（2019年）、中国机械工业科学技术奖一等奖（2018年）、广东省科技进步奖一等奖（2020年，2014年）、广东省自然科学奖二等奖（2009）和广东省科技进步二等奖（2006），2023年团队获“第二十五届广东青年五四奖章集体”。

团队将努力建设成为解决国家特别是粤港澳大湾区现代产业、战略性新兴产业以及医疗器械健康产业中卡脖子与前沿的核心科学问题和关键共性技术问题的重要研究基地，为全国制造业的高端装备、通信技术、微电子3C、新能源汽车、航空航天、高性能医疗器械、海洋工程、轨道交通等产业的长远发展，提供基础性、战略性、前瞻性的先进制造技术知识储备、技术和人才支撑。

作者及团队介绍

王成勇， 教授、博士生导师，高性能工具全国重点实验室主任（广东工业大学），广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室主任，享受国务院政府特殊津贴专家，广东特支计划杰出人才、广东省五一劳动奖章获得者。兼任中国机械制造工艺协会副理事长、中国机械工程学会生产工程分会常务理事等，《CJME》、《机械工程学报》和《中国机械工程》等杂志编委、《工具技术》主编等；全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会第四届激光材料加工和激光设备分技术委员会(SAC/TC284/SC1)主任委员， 全国刀具标准化技术委员会（TC91）委员，国家药品监督管理局医疗器械分类技术委员会医用软件专业组委员，第二、三届广东省石材标准化技术委员会主任委员，广东省医疗器械标准化技术委员会（第三届）副主任委员；首届教育部课程思政教学名师、教学团队与示范项目负责人、首批国家级一流本科课程负责人、兼任教育部机械类课程教指委委员、广东省本科高校机械类专业教指委主任委员，获广东省高校教学名师奖。长期从事高端数控装备与加工工艺、高端医疗器械研究。主持国家自然科学基金项目14项（其中重点项目3项，原创探索项目2项），授权国家发明专利163项，近五年成果转化金额近4000万；近五年在《CJME》、《机械工程学报》、《IJMTM》、《AFM》、《JMPT 》等发表高水平论文20余篇；作为第一完成人的成果获国家科学技术进步奖二等奖（2019年）、中国机械工业科学技术奖一等奖（2018年）、广东省科技进步奖一等奖（2020年，2014年）和广东省自然科学二等奖（2009），2021年获广东省丁颖科技奖；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单。

郑李娟，广东工业大学机电工程学院副院长、教授、博士生导师。国家高层次青年人才，国家级课程思政教学名师，国家科技进步奖、广东五四青年奖章个人获得者，入选2024“强国青年科学家”引领计划。兼任中国科协十届委员，中国机械工程学会粤港澳青年会员工作站站长等。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上基金、国家科技重大专项子课题等项目近20项。在机械工程TOP期刊《机械工程学报》、INT J MACH TOOL MANU、J MATER PROCESS TECH.等发表高水平论文60多篇；授权发明专利63项；参与制定行业标准1项，团体标准1项，企业标准5项；通过科技成果鉴定3项和新产品鉴定14项；获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、中国产学研合作创新奖等社会力量奖8项。

作 者：郑李娟

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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