2,5d микросхема с системой защиты от исследования

Настоящая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к изделиям электронной техники, а именно к 2,5D микросхемам, состоящих из нескольких кристаллов, расположенных на одной кремниевой планке переходнике, соединенных между собой. Кристаллы предназначены для обработки конфиденциальных сведений, которые необходимо защитить от обратного проектирования (например, коды кредитных карт, ключи шифрования и т.п.). Сущность полезной модели заключается в том, что 2,5D микросхема, состоящая из основания корпуса, двух или более кристаллов интегральных схем, которые расположены на кремниевой планке - переходнике, соединенных между собой с помощью межсоединений, одной или нескольких вставок из материала с эффектом памяти формы, размещенных между основанием корпуса и слоем межсоединений в предварительно протравленных отверстиях кремниевой подложки планки переходника, причем, характеризующихся тем, что при детектировании нарушения целостности корпуса, вставки из материала с эффектом памяти формы механически разрушают слой межсоединений планки-переходника между кристаллами, не позволяя восстановить связи между ними. Введенные существенные особенности позволяют разрушить связи между кристаллами, которые содержат конфиденциальную информацию даже при использовании для изготовления 2,5D микросхемы кристаллов, изготовленных по fabless-технологии производства полупроводниковых приборов.

Настоящая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к изделиям электронной техники, а именно к 2,5D микросхемам, состоящих из нескольких кристаллов, расположенных на одной кремниевой планке переходнике, соединенных между собой. Кристаллы предназначены для обработки конфиденциальных сведений, которые необходимо защитить от обратного проектирования (например, коды кредитных карт, ключи шифрования и т.п.).

В настоящее время разработчики все чаще обращаются к применению и проектированию 2,5D микросхем, когда тем или иным образом несколько кристаллов располагаются на одной кремниевой планке-переходнике, по аналогии с печатной платой[1].

Из существующего уровня техники известно большое количество модификаций микросхем, производимых по технологии 2,5D [2]. При этом остро стоит вопрос защиты таких микросхем ' от обратного проектирования, в частности от рентгенографического анализа, от декапсуляции (извлечения из корпуса) для последующего изучения топологии кристаллов, связанных общей кремниевой планкой переходником.

В патенте US 7005733 [3] рассматривается микросхема шифрования, в которой в пассивирующий (защитный) слой вводится цепь, ответственная за считывание ключей шифрования или дешифрования, чувствительна по крайней мере к свойствам одного из параметров упомянутого слоя, так что его нарушение, при попытке вскрытия микросхемы, приводит к ошибкам процесса шифрования. Недостатком данного способа защиты является введение лишнего слоя (или слоев) что усложняет конструкцию и топологию кристалла микросхемы.

В патентах US 7008873 [4], US 7294935 [5] рассматриваются метод и структура камуфлирования структуры интегральной микросхемы, по принципу создания «ложных» межсоединений и специфического расположения окисла. Предлагаемые способы не защищают микросхему от полуинвазивных методов (частичное вскрытие корпуса) считывания и применимы только для специфической топологии интегральных микросхем, не могут распространяться например на такой класс интегральных схем, как программируемые логические интегральные схемы. Кроме того, такой способ защиты не применим при изготовлении по так называемой fabless-технологии, когда на фабрику производителя передается полное описание топологии прибора.

В патентах US 5783846 [6], US 5930663 [7] предлагаются варианты топологии, в которых все логические элементы практически одинаковы и визуально неразличимы, что затрудняет интерпретацию реальной блок-схемы прибора. Данный способ защиты подразумевает использование только на ограниченном множестве микросхем (простые логические схемы), поэтому не обладает универсальностью.

В патенте US 7295455 [8] рассмотрена защита структуры и памяти микросхемы от считывания конфиденциальных данных, записанных в ее память, путем введения многочисленных фоточувствительных элементов, что приводит к изменению ее внутренней структуры при вскрытии ее непрозрачного корпуса. Недостатком данного решения является введение лишних фоточувствительных элементов в топологию микросхемы, значительное усложняющих конструкцию и технологию ее изготовления из-за введения дополнительного слоя топологии.

В патенте RU 2455729 [9] полупроводниковый прибор конструктивно состоит из кристалла, содержащего область топологии с конфиденциальными данными, корпуса, вставки из материала с эффектом памяти формы, размещенной под областью топологии в месте механического ослабления, и полимеризованного наполнителя. При воздействии на него специальными методами обратного проектирования будет разрушена именно та область, которая содержит конфиденциальные данные. Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности защиты областей топологии кристалла, содержащих конфиденциальные данные от обратного проектирования, путем механического разрушения именно того участка топологии, который содержит конфиденциальную информацию.

В патенте RU 2455728 [10] в полупроводниковом приборе, включающем корпус с кристаллом интегральной схемы, вставку из материала с эффектом памяти формы, расположенную внутри корпуса прибора таким образом, чтобы при обнаружении изменения температуры вследствие нарушения целостности корпуса полупроводникового прибора происходило разрушение кристалла прибора. Вставка из материала с эффектом памяти формы имеет температуру трансформации выше максимальной рабочей температуры прибора, внутренний объем прибора заполняется полимеризованным наполнителем с температурой размягчения выше температуры трансформации упомянутой вставки с эффектом памяти формы, а трансформированная форма вставки выбирается таким образом, чтобы при трансформации происходило разламывание кристалла по крайней мере по двум непараллельным осям. Техническим результатом полезной модели является улучшение качества уничтожения кристалла прибора за счет разламывания кристалла на большое число обломков.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является описанный в патенте US 7489013 [11] полупроводниковый прибор, включающий основание корпуса и кристалл интегральной схемы, содержащий электрический или термический реактивный слой, расположенный между верхней поверхностью основания корпуса и нижней поверхностью кристалла интегральной схемы, в которой упомянутый реактивный слой организован таким образом, что обнаружение вмешательства в полупроводниковый прибор задействует этот реактивный слой электрически или термически и по крайне мере частично разрушает полупроводниковый прибор. Такой реактивный слой может быть выполнен в частности из материала с эффектом памяти формы (shape memory alloy), п.п.20, 21, 31, 37 патентной формулы этого патента. Недостатками данного технического решения, является отсутствие гарантий разрушения/повреждения областей нескольких кристаллов, содержащих конфиденциальную информацию, что в значительном количестве случаев может сделать возможным использование, по крайней мере, одного из современных методов считывания конфиденциальной информации с неокончательно разрушенной области памяти.

Из существующего уровня техники известны материалы, обладающие эффектом памяти формы, в частности сплавы на основе титана и никеля, содержащие в качестве добавки гафний, которые имеют температуру трансформации в диапазоне температур от 100 до 300°С в зависимости от процентного содержания гафния в сплаве [12].

Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель является устранение недостатков прототипа, а именно, целенаправленной защиты кристалла многокристальной системы-в-корпусе, выполненной с использованием кремниевой планки-переходника, содержащего конфиденциальные данные от обратного проектирования путем механического разрушения связей между кристаллами, что затрудняет получение конфиденциальной информации.

Данная задача решается за счет того, что заявленная

2,5D микросхема, состоящая из основания корпуса, двух или более кристаллов интегральных схем, между которыми в процессе работы происходит обмен конфиденциальной информацией, кремниевую планку-переходник, состоящую из подложки со сквозными отверстиями в кремнии, слоя межсоединений и одну или несколько вставок из материала с эффектом памяти формы, размещенную между основанием корпуса и слоем межсоединеий планки-переходника под скоплениями межсоединений в предварительно протравленных отверстиях кремниевой подложки планки переходника, характеризующуюся тем, что при детектировании нарушения целостности корпуса вставка (или вставки) механически разрушает слой межсоединений планки-переходника между кристаллами, не позволяя восстановить связи между ними, причем вставка из материала с эффектом памяти формы имеет температуру трансформации выше максимальной рабочей температуры 2,5D микросхемы; внутренний объем 2,5D микросхемы заполняется полимеризованным наполнителем с температурой размягчения выше температуры трансформации упомянутой вставки с эффектом памяти формы, при этом в зависимости от того, какой кристалл интегральной схемы необходимо защитить вставки размещаются между переходником со сквозными отверстиями в кремнии и кристаллами, находящимися над ним, причем в целях затруднения обратного проектирования 2,5D микросхемы межсоединения между кристаллами выполняются с применением обфускации.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является целенаправленное разрушение участков слоя межсоединений кремниевой планки-переходника 2.5D микросхемы, для уничтожения возможностей восстановления связей между различными кристаллами, при обнаружении нарушения целостности корпуса 2,5D микросхемы.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, па которых изображено:

На фиг.1 схематично изображено поперечное сечение 2,5D системы в корпусе со вставками из материала с эффектом памяти формы;

2,5D микросхема, состоит из основания корпуса (8 на фиг.1), шариков припоя (9 на фиг.1), кристаллов интегральных схем (1, 2, 3 на фиг.1), кремниевой планки переходника, которая, в свою очередь, состоит из кремниевой подложки (6 на фиг.1) со сквозными отверстиями (4 на фиг.1) и слоя межсоединений (5 на фиг.1), содержащего проводники для связи между кристаллами 2,5D микросхемы. В подложке кремниевой планки-переходника дополнительно протравлены отверстия, в которые помещены вставки из материала с эффектом памяти формы (10 на фиг.1) с температурой трансформации выше, чем рабочая температура 2,5D микросхемы, расположены вплотную к слою межсоединений кремниевой планки переходника таким образом, чтобы при трансформации происходило механическое разрушение слоя межсоединений, по крайней мере, по двум непараллельным осям. Возможны различные варианты размещения такой вставки с различной геометрией трансформации (5 фиг.1). Удлинение цилиндра из материала с эффектом памяти формы может достигать 7%, что при длине цилиндра составляет величину в 70 мкм, и что обеспечивает разрушение мембранной структуры толщиной порядка 10÷15 мкм при толщине кремниевой планки-переходника до 300÷400 мкм. Диаметр такой мембранной структуры может быть порядка 1 мкм или меньше.

Работает 2,5d микросхема с системой защиты от исследования следующим образом: при детектировании нарушения целостности корпуса полупроводникового прибора происходит изменение температуры внутри полупроводникового прибора, что, в свою очередь, приводит к восстановлению вставкой (или вставками) из материала с эффектом памяти формы (10 на фиг.1) своей первоначальной формы при этом геометрия вставки меняется установленным образом, происходит разрушение слоя межсоединений кремниевой планки-переходника, что значительно затрудняет восстановление связей между кристаллами 2,5D микросхемы и увеличивает время на обратное проектирование такой микросхемы.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Jackson M.A Silicon Interposer-based 2.5D-IC Design Flow, Going 3D by Evolution Rather than by Revolution. Интернет ресурс компании Synopsys. URL: http://www.synopsys.com/Company/Publications/ SynopsysInsight/Pages/Art3-3ddesign-flow-IssQ 1-12.aspx. Дата доступа 11.06.2012.

2. Бондарь Д. Современные технологии изготовления чипов и сборки в полупроводниковой электронике // Технологии в электронной промышленности. 7. 2011 с.52-60.

3. Anti tamper encapsulation for an integrated circuit. Патент US 7005733, МПК H01L 23/02, опубликован 28.02.2006.

4. Integrated circuit with reverse engineering protection. Патент US 7008873, МПК H01L 21/44, H01L 21/00, H01L 21/84, H01L 21/338, H01L 21/4763, опубликован 28.07.2005.

5. Integrated circuits protected against reverse engineering and method for fabricating the same using an apparent metal contact line terminating on field oxide. Патент US 7294935, МПК H01L 23/52, H01L 29/40, опубликован 25.07.2002.

6. Digital circuit with transistor geometry and channel stops providing camouflage against reverse engineering. Патент US 5783846, МПК H01L 27/10, опубликован 21.07.1998.

7. Digital circuit with transistor geometry and channel stops providing camouflage against reverse engineering. Патент US 5930663, МПК H01L 27/10, опубликован 27.07.1999.

8. Semiconductor integrated circuit with photo-detecting elements for reverse-engineering protection. Патент US 7295455, МПК G11C 13/04, опубликован 16.08.2007.

9. Полупроводниковый прибор с защитой областей топологии кристалла, содержащих конфиденциальные данные от обратного проектирования. Патент РФ 2455729, МПК H01L 27/02, опубликован 10.07.2012.

10. Полупроводниковый прибор, защищенный от обратного проектирования. Патент РФ 2455728, МПК H01L 27/02, опубликован 10.07.2012.

11. Destructor integrated circuit chip, interposer electronic device and methods. Патент US 7489013, МПК МПК H01L 23/06, опубликован 10.02.2009.

12. High Transformation Temperature Shape Memory Alloy. Патент US 5114504.148/402, МПК С22С 19/00, опубликован 19.05.1992.

1. 2,5D микросхема, состоящая из основания корпуса, двух или более кристаллов интегральных схем, между которыми в процессе работы происходит обмен конфиденциальной информацией, кремниевую планку-переходник, состоящую из подложки со сквозными отверстиями в кремнии, слоя межсоединений и одну или несколько вставок из материала с эффектом памяти формы, размещенную между основанием корпуса и слоем межсоединений планки-переходника под скоплениями межсоединений в предварительно протравленных отверстиях кремниевой подложки планки переходника, характеризующаяся тем, что при детектировании нарушения целостности корпуса вставка (или вставки) механически разрушает слой межсоединений планки-переходника между кристаллами, не позволяя восстановить связи между ними, причем вставка из материала с эффектом памяти формы имеет температуру трансформации выше максимальной рабочей температуры 2,5D микросхемы; внутренний объем 2,5D микросхемы заполняется полимеризованным наполнителем с температурой размягчения выше температуры трансформации упомянутой вставки с эффектом памяти формы, при этом в зависимости от того, какой кристалл интегральной схемы необходимо защитить, вставки размещаются между переходником со сквозными отверстиями в кремнии и кристаллами, находящимися над ним, причем в целях затруднения обратного проектирования 2,5D микросхемы межсоединения между кристаллами выполняются с применением обфускации.

2. Микросхема по п.1, в плоскости кристалла имеет решетчатую структуру из металла с памятью формы, которая затрудняет рентгеновские исследования такой микросхемы.