Маркировка и проверка подлинности электронных продуктов
Глобальная тенденция заключается в том, что количество поддельных микросхем (и не только микросхем) увеличивается, но эффективность методов обнаружения падает. Одним из методов борьбы с контрафакцией является маркировка подлинных компонентов. И самый безопасный для маркировки метод, основанный на физически неклонируемых функциях (ФНФ) т.е. таких свойств изделия, которые невозможно воспроизвести в следствие естественного разброса характеристик паразитных структур, неопределенности результатов случайных процессов технологии производства.
Распределение амплитуд ионизационных откликов и радиационная деградация параметров по мере накопления поглощенной дозы является одной из таких ФНФ т.к. обладает нужными свойствами: невозможностью воспроизведения с одной стороны, и однородностью результатов в рамках одной партии микросхем или транзисторов с другой стороны. Поэтому предлагается использовать различные признаки ухудшения радиационного поведения в качестве ФНФ.
Реальные масштабы контрафактной электроники трудно оценить. Производителю электронного оборудования сложно определить контрафактную продукцию среди тысяч изделий, использованных для сборки системы. В некоторых случаях подделка может быть введена несколькими этапами ранее в цепочке поставок и стать частью модуля или сборки, продаваемой авторитетной компанией. Большинство производителей не имеют ресурсов для отслеживания фактического происхождения каждой части продукта. Иногда изделия могут действительно работать, по крайней мере, при выполнении некоторых функций в течение короткого периода времени.
Виды контрафактной продукции
Основные виды контрафактных изделий:
- повторно используемые перемаркированные изделия;
- клонированная продукция;
- микросхемы с замененным кристаллом.
80% от контрафактных изделий составляют повторно используемые изделия. Они уже применялись в снаряжении, оборудовании или электронных устройствах. Отходы электроники собираются и продаются в развивающиеся страны. Там вышедшие из строя устройства разбираются на части, компоненты извлекаются из печатных плат при очень высокой температуре, а затем продаются на рынке как новые. С помощью специального оборудования демонтированные компоненты обретают торговый вид – стирается старая надпись, создается матовая поверхность, наносится новая надпись, подобная бывшей, чистятся и создаются «непаяные выводы» и т. д. Маркировка на компонентах изменяется – исправляется год производства микросхемы, уровень качества и т. д.
Клонированные компоненты изготавливаются неавторизованными производителями, не имеющими законных прав на производство кристалла. Само по себе клонирование – процесс копирования дизайна мошенниками, главным образом для уменьшения больших затрат на разработку компонента.
Фальсификация может осуществляться на уровне кристалла, когда производитель контрафакта устанавливает в микросхему кристалл, который по характеристикам хуже оригинального. Кроме того, может быть установлен чип со скрытой функциональностью («аппаратный троян»), позволяющей отправлять секретную информацию потенциальному противнику. Это может представлять реальную угрозу, если чипы используются на предприятиях военно-промышленного комплекса или в военной технике.
Методы обнаружения подделок
Основные методы обнаружения поддельных компонентов можно разделить на физические и электрические. Физические методы включают в себя идентификацию, контроль маркировки, контроль массогабаритных параметров, рентгенологическое обследование, контроль герметичности, сканирующую акустическую микроскопию. К электрическим методам относят параметрический и функциональный контроль, а также электротермотренировку.
Пример задвоенной маркировки
На этапе входного контроля необходимо осуществить проверку сопроводительной документации, детально оценить внешний вид и массогабаритные параметры, проверить однородность партии. Уже на этапе входного контроля выявляются следующие несоответствия по маркировке (см. рис. 1–2):
- некорректная маркировка (например, неверный код даты, орфографические ошибки, просвечивающая старая маркировка);
- низкое качество маркировки;
- маркировка смывается после воздействия растворителей.
Пример перемаркировки
Кроме того, для контроля маркировки используется акустический микроскоп. В методах акустической микроскопии применяются упругие механические колебания, обеспечивающие распространение волн в твердой среде.
Физически неклонируемые функции
Несмотря на строгость правил технологического процесса изготовления серийной микроэлектроники, естественный разброс параметров, характеристики паразитных
структур, неконтролируемые параметры внешней среды создают уникальные элементы конструкции изделия ЭКБ, которые невозможно подделать. Принцип маркировки ЭКБ для последующей идентификации на основе таких элементов называется принципом аутентификации на основе ФНФ. Существует несколько идей и реализаций процесса аутентификации на основе ФНФ. Все их объединяет выполнение нескольких правил:
1. Реализация элемента с ФНФ не должна влиять на основное функционирование изделия. Лучше всего, если такие элементы будут «сами собой» существовать в любом изделии без приложения дополнительных усилий проектировщиков.
2. Проверяемые характеристики элемента с ФНФ нельзя подделать или воспроизвести. Они должны быть основаны на случайных процессах.
3. Результаты проверки (измерения) характеристик элементов с ФНФ должны иметь свойство воспроизводиться независимо от лаборатории или производителя измерительного оборудования.
4. Результаты проверки (измерения) характеристик элементов с ФНФ должны иметь возможность дать однозначный ответ: подлинное изделие или контрафактное. Не важно на основе сравнения с прогнозируемым результатом, эталонными значениям или результатом сравнения с эталонным образцом.
Одной из таких ФНФ является радиационное поведение изделия ЭКБ. Реализация такой ФНФ внутри микросхем или мощных дискретных приборов не требует создания специальных блоков. Радиационное поведение для современных технологических процессов определяется деградацией характеристик, связанных с паразитными структурами и связанными с ними параметрами ЭКБ.
Радиационное поведение как физически неклонируемая функция
Примеры применения радиационного поведения в качестве характеристик ФНФ приведены ниже. Недостатком использования радиационного поведения в качестве ФНФ для аутентификации является то, что это разрушающее испытаний и придется жертвовать образцом. Однако, примерно половина методов выявления контрафакта, перечисленных в AS6171 также являются разрушающими (например, проверка перемаркировки), что не мешает их комбинировать и проводить на одних и тех же образцах.
Приведем примеры использования радиационного поведения в качестве ФНФ для определения неоднородных образцов в выборке.
Мощные МОП транзисторы (МОПТ) IRFNG50 фирмы International Rectifier. Две партии производства: 0842 Мексика и 1038 США. С точки зрения функционирования и параметры образцов МОПТ соответствуют нормам из datasheet. Реализация ФНФ заключается в измерении деградации порогового напряжения отпирания транзистора в зависимости от накопленной дозы. Графики зависимостей приведены на рис. 1 и 2. Горизонтальной чертой на графике показано предельное значение параметра (не менее 2В), которое допускается документацией, а пересечение ее является критерием параметрического отказа образца.
Результаты измерения деградации порогового напряжения от поглощенной дозы в ходе радиационного воздействия позволяет сделать два вывода: для одной партии различий между образцами нет, для любых образцов из разных партий – различия существенные и позволяют однозначно отнести их к нужной партии.
МАРКИРОВКА И ПРОВЕРКА ПОДЛИННОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ НЕКЛОНИРУЕМОСТИ РАДИАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ
Операционный усилитель OP1177ARZ фирмы Analog Devices. Были исследованы 4 партии разных лет производства: 2008, 2010, 2012, 2013. За исключением даты производства, внешне образцы выглядят одинаковыми по внешнему виду, по характеристикам и по меткам на кристаллах [14]. На рис. 3 приведены примеры для двух партий 2008 и 2013 годы.
Реализация ФНФ заключалась в снятии карт ионизационного отклика кристаллов микросхем. Процедура выполняется следующим образом. Сначала выполняется проверка параметров образцов, чтобы убедиться в их годности. Затем часть пластикового корпуса над кристаллом химически стравливается. Открытый кристалл начинает подвергаться сканирующему воздействию сфокусированного (диаметр 10 мкм, длительность 10 пс, длина волны 1,06 мкм) лазерного луча одновременно с фиксацией всплеска тока по цепям питания микросхемы.
Объединение данных о месте выстрела лазером и амплитудой отклика составляет карту ионизационного отклика, которая фактически показывает взаимосвязь нескольких физических процессов и их характеристик: (а) локальной области кристалла (на которое
происходит воздействие сфокусированного излучения), (б) механизмом и особенностями сбора сгенерированного избыточного заряда (с учетом локального профиля легирования кремния, геометрии и топологии областей, переотражения лазерного излучения от слоев металлизации, первичной рекомбинации и т.д.), (в) движением этого заряд от места генерации до исследуемых выводов микросхемы (с учетом потерь по мере движения, рекомбинацией, перезарядом паразитных реактивностей). С учетом огромного количества непредсказуемых внутренних факторов (в том числе паразитных элементов), влияющих на итоговую форму отклика на выводах микросхемы, карту ионизационного отклика можно считать еще одной реализацией физически неклонируемой функции.
На рис. 4 и 5 приведены карты отклика для разных партий микросхем OP1177ARZ. После проведенных исследований не остается сомнений в отличии топологии и технологии изготовления партии 395507 от партии 753607, как на поверхности, так и внутри кристалла (см. рис. 6.). Это в дальнейшем было подтверждено детальным анализом топологии кристаллов в месте наиболее значимого различия карт отклика.
Таким образом, карта ионизационного отклика – вариант реализации ФНФ в ходе полностью автоматического сканирования независимо от функционального назначения изделия. Его преимущество по сравнению с послойным травлением и сравнением металлизации с эталоном в том, что ионизационный отклик формируется одновременно и картой металлизации (определяет долю лазерного излучения, доходящую до кремниевых областей), и топологией самих кремниевых областей кристалла (анализ которых обычно ограничен для визуального сравнения топологии).
Заключение
Испытания изделий микроэлектроники на выявление признаков является одним из составляющих стратегии противостоянию контрафакту. Но, к сожалению, даже применение всех методов выявления не обеспечивает 100% гарантию того, что проверенное изделие является подлинным.
Выходом из такой ситуации служит аутентификация образцов на основе физически неклонируемых функций.
В статье изложены примеры реализации аутентификации образцов ЭКБ на основе ФНФ – радиационного поведения изделий. В качестве примеров приведены данные для мощных полупроводниковых приборов, аналоговых микросхем низкой степени интеграции.
Поскольку радиационные испытания являются одним из обязательных видов испытаний ЭКБ, для проверки соответствия условиям работы аппаратуры в условиях, например, космической радиации – использование полученных данных о радиационном поведении изделий для аутентификации является дополнительным результатом проводимых исследований.
