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Die Erfindung betrifft ein vor physikalischen Angriffen geschütztes Chipkartenmodul mit einem auf einem Substrat montierten Chip. Chipkarten sind weit verbreitet und werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. In sicherheitsrelevanten Anwendungen dienen Chipkarten beispielsweise als Schlüssel. Im bargeldlosen Zahlungsverkehr können geldwerte Informationen auf einer Chipkarte gespeichert sein. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist eine Geldkarte. Nicht nur bei den genannten Anwendungen ist es erforderlich, dass die auf der Chipkarte gespeicherten Daten und der Chip selbst vor Angriffen und Manipulationen geschützt sind.
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Bei physikalischen Angriffen werden, wenn erforderlich, Teile des Chips entfernt, um eine auf dem Chip integrierte Schaltung auszuspähen. Des Weitern können Signale abgegriffen werden, um Daten auszulesen, was als „Probing“ bezeichnet wird. Es ist auch denkbar, gezielt Signale von außen an Leitungen der integrierten Schaltung anzulegen, um die Funktion der integrierten Schaltung dahin gehend zu manipulieren, dass sicherheitsrelevante Daten ausgelesen werden können, oder um basierend auf einer Schaltungsreaktion die Funktionsweise der integrierten Schaltung zu ermitteln. Dieses Vorgehen wird als „Forcing“ bezeichnet.
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Bisherige Schutzmechanismen gegen solche Angriffe sind auf dem Chip selbst ausgeführt worden. Zum Schutz vor physikalischen Angriffen umfasst der Chip ein Schild das über der eigentlichen integrierten Schaltung angeordnet ist. Der Schutz durch das Schild kann entweder aktiver oder passiver Art sein.
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Ein passives Schild umfasst eine bahnenförmige oder flächige Struktur, die die darunter liegende Schaltungsanordnung bedeckt, um Angriffe durch einfaches Ausspähen zu unterbinden und den Zugriff auf geeignete Angriffspunkte zum Probing oder Forcing zumindest zu erschweren.
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Ein aktives Schild umfasst eine Leiterstruktur, die die Schaltungsanordnung bedeckt und an die eine Spannung oder ein Signal angelegt wird. Bei Zerstörung dieses Schildes wird eine damit einhergehende Veränderung oder Unterbrechung der Spannung oder des Signals detektiert. Auch mit Manipulationen, beispielsweise durch Probing oder Forcing, einhergehende Spannungs- oder Signalveränderungen können detektiert werden. Nach der Detektion können geeignete Abwehrmaßnahmen, beispielsweise das Herunterfahren des Schaltungsbetriebs oder Löschvorgänge in Registern der Schaltungsanordnung, eingeleitet werden.
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Nachteil solcher Schilde ist der zusätzliche Kostenaufwand, da eine weitere Metallisierungsschicht auf der Schaltungsanordnung oder eine größere Fläche vorzusehen ist.
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Aus dem Dokument
DE 31 30 213 A1 ist eine Chipkarte mit einem Substrat bekannt, das eine Aussparung aufweist, in welche der Chip eingelassen ist.
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Aus dem Dokument
DE 101 39 395 A1 ist ein Chipkartenkörper mit einem Substrat und einem Chip bekannt, wobei auf einer ersten Seite des Substrats Kontaktflächen aufgebracht sind und auf der zweiten Seite des Substrats Leiterstrukturen vorgesehen sind. Die Leiterstrukturen sind zu Kontaktbereichen geführt, welche über eine Durchkontaktierung im Substrat mit den Kontaktflächen verbunden sind.
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Aus dem Dokument
US 6 031 724 A ist ein Chipkartenmodul bekannt, das ein Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite aufweist, wobei auf der ersten Seite Kontaktflächen aufgebracht sind, und auf der zweiten Seite eine Leiterstruktur mit Kontaktpads aufgebracht ist, die zumindest zum Teil in einem zentralen Bereich verläuft. Die Leiterstruktur ist über eine Durchkontaktierung mit den Kontaktflächen verbunden. Das Chipkartenmodul weist ferner einen Chip mit Anschlüssen auf, der über dem zentralen Bereich auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei die Anschlüsse mit Kontaktpads verbunden sind.
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Aus dem Dokument
US 6 398 116 B1 ist eine Chipkarte zur kontaktfreien und/oder kontaktbehaftenden Übertragung bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Chipkartenmodul vorzusehen, von dem Angriffe auf das Chipmodul erkannt werden.
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Die Aufgabe wird durch ein Chipkartenmodul mit einem Substrat und einem Chip gelöst. Das Substrat hat eine erste Seite und eine gegenüber liegende zweite Seite, wobei auf der ersten Seite Kontaktflächen aufgebracht sind. Auf der zweiten Seite ist eine erste Leiterstruktur von einem Kontaktbereich zu einem anderen Kontaktbereich und/oder zu einer zweiten Leiterstruktur, die über eine Durchkontaktierung im Substrat mit den Kontaktflächen verbunden ist, geführt ist, so dass die erste Leiterstruktur zumindest zum Teil in einem zentralen Bereich verläuft. Der Chip weist Anschlüsse auf und ist über dem zentralen Bereich auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet, wobei einer der Anschlüsse mit dem einen Kontaktbereich verbunden ist. Der Chip weist ferner eine Einrichtung zum Generieren und eine Einrichtung zum Detektieren von Testsignalen auf, wobei über den einen der Anschlüsse ein vom dem Chip generiertes Testsignal an die erste Leiterstruktur anlegbar ist, welches über einen anderen der Anschlüsse, der mit dem anderen Kontaktbereich verbunden ist, detektierbar ist. Ein beim Vergleichen des detektierten Testsignals mit dem angelegten Testsignal detektierter Unterschied wird als ein Angriff interpretiert.
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Der Chip kann folglich derart ausgebildet sein, dass ein an dem Anschluss, der mit dem einem Kontaktbereich verbunden ist, anliegendes erstes Signal und ein an dem Anschluss, der mit dem anderen Kontaktbereich verbunden ist, anliegendes zweites Signal verglichen und Unterschiede der Signale detektiert werden können, um auf einen Angriff zu schließen.
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Ein von der ersten Leiterstruktur ausgebildetes Schild kann im selben Schritt wie die Kontaktbereiche auf dem Substrat aufgebracht werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
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Die Schildfunktion der auf dem Substrat aufgebrachten ersten Leiterstruktur wird verbessert, wenn diese sich über einen Großteil des zentralen Bereichs erstreckt. Der zentrale Bereich ist üblicherweise zwischen den Kontaktflächen zum Anschluss des Chips. Eine einfache und mit wenig Designaufwand einhergehende Form des Schutzes wird erreicht, indem die erste Leiterstruktur von einem Randbereich des zentralen Bereichs zu einem anderen Randbereich des zentralen Bereichs verläuft, wobei diese Randbereiche vorteilhafterweise gegenüber angeordnet sind. Um den großflächigen Schutz zu erreichen, verläuft die ersten Leiterstruktur als Leiterbahn vorteilhafterweise mehrfach zwischen den Randbereichen hin und her und erstreckt sich mäanderförmig über den zentralen Bereich, so dass sie bei einem physikalischen Angriff nur schwer umgangen werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Chip in Flip-Chip-Technik montiert, sodass die integrierte Schaltung unterhalb der Chipanschlüsse auf der Seite des Chips angeordnet ist, die dem Substrat mit dem Schild gegenüber liegt.
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Um den Schutz zu verbessern, kann das Schild als aktives Schild ausgebildet sein. Hierbei wird an die erste Leiterstruktur eine Spannung oder ein Signal angelegt. Bei einem Abfall der Spannung beziehungsweise einer Veränderung des Signals kann auf einen Angriff geschlossen werden und entsprechende Maßnahmen, beispielsweise ein chipinternes Alarmsignal oder eine Alarmreaktion, ausgelöst beziehungsweise eingeleitet werden.
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Vorteilhafterweise ist der Chip ausgebildet, über den Anschluss, der mit dem einen Kontaktbereich verbunden ist, an die erste Leiterstruktur eine Spannung oder ein Signal anzulegen, um eine detektierbare Spannung beziehungsweise ein detektierbares Signal bereitzustellen.
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Der Chip kann ausgebildet sein, über den Anschluss, der mit dem einem oder mit dem anderen Kontaktbereich verbunden ist, eine Spannung oder ein Signal zu detektieren, anhand dessen auf einen Angriff geschlossen werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erklärt.
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Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine Chipkarte mit einem Chipkartenmodul, auf dem ein Chip in Flip-Chip-Technik montiert ist,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
- 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
- 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
- 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur und
- 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel der als Schild, ausgebildeten Leiterstruktur.
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1 zeigt einen Querschnittsausschnitt einer Chipkarte mit einem Chipkartenmodul. In einem Kartenkörper 1 ist eine Kavität 2 eingebracht, in der ein Chipkartenmodul positioniert ist. Da sich die Darstellung auf das Chipkartenmodul konzentriert, ist nur ein Teil der Kartenkörpers 1, dessen Außenmaße denen der Chipkarte entsprechen, dargestellt.
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Das Chipkartenmodul umfasst ein Substrat 3 mit einer ersten Seite 31 und einer zweiten Seite 32. Auf der ersten Seite 31 sind Kontaktflächen 4 aufgebracht.
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Auf der zweiten Seite 32 des Substrats 3 sind Leiterstrukturen 7 aufgebracht, die über Durchkontaktierungen 9 im Substrat 3 mit den Kontaktflächen 4 verbunden sind.
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Auf der zweiten Seite 32 des Substrats 3 ist ein Chip 5 mit Anschlüssen 6 (die im Folgenden auch als Chipanschlüsse 6 bezeichnet werden) in Flip-Chip-Technik montiert. Der Chip ist derart positioniert, dass die Anschlüsse 6 auf der dem Substrat 3 zugewandten Seite des Chips 5 sind. Die Verbindung der Chipanschlüsse 6 mit gegenüberliegenden Kontaktbereichen 71 der Leiterstrukturen 7 erfolgt mittels Verbindungselementen 8, die auch als „Bumps“ bezeichnet werden, zwischen den Chipanschlüssen 6 und den Leiterstrukturen 7. Bei den Bumps 8 handelt es sich um beispielsweise kugelförmige Metallelemente, die den Kontakt zwischen den Anschlüssen 6 und den Kontaktbereichen 71 beim Aufbringen von Druck auf den Chip herstellen.
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Der Chip 5 ist durch einen Kleber 17, der zwischen dem Chip 5 und der zweiten Seite 32 des Substrats 3 aufgebracht ist, fixiert. Dieser Kleber 17 dient auch dem Schutz der Anschlüsse 6. Auch andere Montagetechniken oder eine direkte Verbindung zwischen den Chipanschlüssen 6 und den Leiterstrukturen 7 sind denkbar. Auch eine Wire-Bonding-Montage des Chips ist denkbar. Der Chip kann ferner mit einer, in 1 nicht dargestellten, Verkapselung versehen werden.
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Das Chipkartenmodul wird in die Kavität 2 des Kartenkörpers 1 eingebracht und fixiert. Die Fixierung erfolgt auf der zweiten Seite 32 des Substrats 3 in den Randbereichen des Chipkartenmoduls mittels einer Klebeschicht 10, die das Chipkartenmodul mit dem Kartenkörper 1 verbindet.
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Der Zugriff auf die auf der Chipkarte gespeicherten Daten erfolgt über die von außen zugänglichen Kontaktflächen 4.
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Ein Angriff auf eine im Chip 5 umschlossene, integrierte Schaltung erfolgt auf der Chipseite, auf der die Anschlüsse 6 positioniert sind, das heißt im Falle eines Chipkartenmoduls mit dem in Flip-Chip-Technik montierten Chip von der Substratseite her.
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Im Folgenden ist der Aufbau eines Schildes, zum Schutz vor solch einem Angriff, auf dem Substrat beschrieben.
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2 zeigt eine Aufsicht auf die zweite Seite 32 des Substrats 3 und die darauf aufgebrachten Kontaktbereiche und Leiterstrukturen.
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Auf dem Substrat 3 sind Kontaktbereiche 71, 73 sowie erste Leiterstrukturen 11, 13 und zweite Leiterstrukturen 72 aufgebracht. Diese sind als Metallschicht oder leitende Schicht auf dem Substrat 3 strukturiert. Die Kontaktbereiche 71, 73 werden bei der Chipmontage mit den Chipanschlüssen verbunden.
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Die Konturlinie 12 zeigt die Außenkante eines Substratbereichs, über dem der Chip 5 angeordnet wird, an. Die Kontaktbereiche 71, 73 sind innerhalb der Konturlinie 12 positioniert, sodass sie gegenüber den Anschlüssen 6 des zu montierenden Chips 5 angeordnet sind. Die Anschlüsse 6 des Chips 5 werden beim Montageschritt mit den Kontaktbereichen 71, 73 verbunden. Der Übersichtlichkeit halber sind beispielhaft lediglich zwei Kontaktbereiche 71, 73 dargestellt. Zur Kontaktierung eines Chips sind üblicherweise mehr als zwei Kontaktbereiche vorgesehen.
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Die Kontaktbereiche 71, 73 sind über die ersten Leiterstrukturen 11, 13 mit den zweiten Leiterstrukturen 72, 74, die außerhalb der Konturlinie 12 positioniert sind, verbunden. Die zweiten Leiterstrukturen 72, 74 sind zu den Durchkontaktierungen 9 benachbart und berühren diese, so dass in diesem Bereich durch das Substrat 3 die Verbindung zu den Kontaktflächen 4 auf der gegenüber liegenden Seite 31 des Substrats 3 erfolgt.
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Konventionellerweise ist der Kontaktbereich 73 in unmittelbarer Nähe zur zweiten Leiterstruktur 74, so dass die verbindende erste Leiterstruktur 13 sehr kurz ist und auf direktem Wege geführt ist. Dieses ist beispielhaft für den Kontaktbereich und die Leiterstrukturen mit den Bezugszeichen 73 beziehungsweise 13 und 74 veranschaulicht.
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Im Gegensatz dazu erstreckt sich die erste Leiterstruktur 11, die den Kontaktbereich 71 mit der zweiten Leiterstruktur 72 verbindet, über einen Großteil eines zentralen Bereichs 25 innerhalb der Konturlinie 12. Dadurch wird der Chip über zumindest einem Teil der ersten Leiterstrukturen 11 montiert und durch diese vor Angriffen auf das Chipkartenmodul von der Substratseite her geschützt.
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In der 1 ist das Schild beispielsweise als hin und her verlaufende Leiterbahn ausgebildet. Auch andere Ausbildungen der ersten Leiterstruktur 11 sind denkbar, beispielsweise schlangenlinienförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig. Auch eine flächige Ausbildung der ersten Leiterstruktur 11 ist möglich.
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Der Schutzeffekt ist bereits erreicht, wenn die erste Leiterstruktur 11 derart ausgeführt ist, dass sie im zentralen Bereich 25 verläuft, an dessen Rand die Kontaktbereiche 71, 73 angeordnet sind. Dieses wäre im einfachsten Fall durch eine direkte Verbindung, quer durch den zentralen Bereich 25, des Kontaktbereichs 71 mit der zweiten Leiterstruktur 72 erfüllt. Vorteilhafterweise ist die erste Leiterstruktur 11 als Leiterbahn ausgebildet, die so verläuft, dass sie sich über einen möglichst großen Teil des zentralen Bereichs 25 und damit auch des Bereichs innerhalb der Konturlinie 12 erstreckt. Die Abstände benachbarter Leiterbahnbereich sind möglichst gering, so dass der Schutz des dadurch ausgebildeten Schildes nicht durch Angriffe zwischen den Leiterbahnbereichen umgangen werden kann.
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Wenn die schützende Leiterbahn im Rahmen eines Angriffs zerstört wird, wird der Chip nicht mehr mit Strom versorgt. Wenn die Leiterbahn nicht zur Versorgung dient, kann der Chip auch derart ausgebildet sein, dass er die fehlende Spannung oder das fehlende Signal detektiert, dass an dem Anschluss, der mit dem Kontaktbereich 71 verbunden ist, anzuliegen hat. Der Chip kann auch derart ausgebildet sein, dass er eine über die Leiterbahn zugeführte Spannung hinsichtlich Spannungsschwankungen detektiert, Diese lassen auf einen Angriff schließen, der Manipulationen der Leiterbahn umfasst.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Schildes auf dem Substrat. Der Übersichtlichkeit halber sind in 3 nur zwei Kontaktbereiche 71, 75 innerhalb der Konturlinie 12 sowie eine diese Kontaktbereiche 71, 75 verbindende hin und her verlaufende bahnförmige erste Leiterstruktur 11 dargestellt. Diese beiden Kontaktbereiche 71, 75 können für zwei Extra-Anschlüsse des Chips vorgesehen sein, die nicht mit den Kontaktflächen verbunden werden. Die Extra-Anschlüsse des Chips sind nach der Chipmontage durch die als Leiterbahn ausgebildeten ersten Leiterstruktur 11 zwischen den Kontaktbereichen 71, 75 verbunden.
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Über einen der Extra-Anschlüsse werden Testsignale an die Leiterbahn angelegt, die mittels des anderen Extra-Anschlusses detektiert werden. Der Chip umfasst entsprechende Einrichtungen zum Generieren und Detektieren des Testsignals. Beim Vergleich der detektierten Signale mit den angelegten Signalen kann gegebenenfalls ein Unterschied detektiert werden, welcher als Angriff interpretiert wird. Im einfachsten Fall ist das Testsignal eine konstante Spannung. Auch die Verwendung von Bitfolgen als Testsignal ist möglich.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Auch in diesem Fall ist der Übersichtlichkeit halber lediglich die Konturlinie 12 sowie zwei Kontaktbereiche 71, 75, die erste Leiterstruktur 11 und die zweite Leiterstruktur 72 vorgesehen. Die als Leiterbahn ausgebildete erste Leiterstruktur 11 verbindet im zentralen Bereich 25 hin und her verlaufend die Kontaktbereiche 71 und 75, von dort wird die Leiterbahn zur zweiten Leiterstruktur 72 geführt. Die Kontaktbereiche 71, 75 können für Chipanschlüsse vorgesehen sein, die als Eingangs-/Ausgangsanschlüsse ausgebildet sind. Von diesen auch als I/O-Anschlüssen bezeichneten Anschlüssen wird bei einer nach dem ISO-Standard betriebenen Chipkarte lediglich einer zur bidirektionalen Datenkommunikation benötigt. Durch die Leiterbahn zwischen den Kontaktbereichen 71, 75 werden die I/O-Anschlüsse sowohl miteinander als auch, über die zweiten Leiterstruktur 72, mit den Kontaktflächen 4 verbunden.
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Bei einer Beschädigung der Leiterbahn wird die Datensignalübertragung unterbrochen, sodass die Signale nur noch an einem der Kontaktbereiche 71, 75 anliegen. Eine Vergleichseinrichtung des Chips ist ausgebildet, Signalunterschiede zwischen den beiden I/O-Anschlüssen zu erkennen. Diese Unterschiede deuten auf einen Angriff. Die Detektion erstreckt sich sowohl auf gesendete als auch auf empfangene Signale.
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Selbstverständlich können auch mehr als zwei Leiterbahnen innerhalb des zentralen Bereichs 25 angeordnet werden. Dabei können die Merkmale der bisherigen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden.
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5 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel eine Anordnung mit einer denkbaren Kombination der bisher beschriebenen Merkmale mit zwei Leiterbahnen als ersten Leiterstrukturen 11 innerhalb der Konturlinie 12. Eine dieser Leiterbahnen ist zwischen zwei Kontaktbereichen 71, 73 hin und her verlaufend ausgeführt. Über diese Leiterbahn kann ein Testsignal übertragen werden. Die zweite Leiterbahn ist zwischen einem weiteren Kontaktbereich 75 und einer zweiten Leiterstruktur 72 geführt.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der als Schild ausgebildeten ersten Leiterstrukturen 11 mit mehreren Leiterbahnen. Die Leiterbahnen sind mäanderförmig ineinander verschachtelt beziehungsweise verwoben, sodass in einer Schlaufe einer Leiterbahnen, die zwischen den Kontaktbereichen 75 und 72 verläuft, eine Schlaufe einer anderen Leiterbahn, die von den Kontaktbereichen 83 nach 85 verläuft, hineinreicht. Auch die Kontaktbereiche 87, 77, 79, 83, 81, 85 können in Schlaufen von Leiterbahnen , die nicht mit diesen Kontaktbereichen 87, 77, 79, 83, 81, 85 verbunden sind, angeordnet sein.
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Mit einer solchen verschachtelten Anordnung geht einher, dass es Bereiche gibt, in denen benachbarte Leiterbahnbereiche das gleiche Signal führen, sodass Schlaufen überbrückt werden können. Einzelne oder mehrere Schlaufen einer Leiterbahn können beispielsweise durch das Aufbringen von Leitsilber überbrückt werden, um die Schildfunktion zumindest bereichsweise auszuschalten. Im von den überbrückten Schlaufen bedeckten Bereich kann somit ein Angriff erfolgen.
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7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Schildes mit mehreren Leiterbahnen als ersten Leiterstrukturen 11. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt zwei mäanderförmige Leiterbahnen, die in gleicher Weise wie in 5 angeordnet sind. Ferner ist eine dritte und eine vierte Leiterbahn 11a, 21 vorgesehen. Die dritte Leiterbahn 11a verläuft zwischen zwei Kontaktbereichen 73, 75 und weist Verzweigungen auf, die in die Schlaufen der Leiterbahnen hineinreichen. Die vierte Leiterbahn 21 hat eine kammförmige Struktur mit Verzweigungen, die in die Schlaufen der Leiterbahnen hineinreichen. Jedoch ist diese Leiterbahn lediglich an einen Kontaktbereich 77 gekoppelt, über den eine Spannung an die vierte Leiterbahn 21 angelegt werden kann.
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Durch die kammförmige oder fingerförmige Leiterstruktur 11 der dritten und vierten Leiterbahn 11a, 21 führen zwei benachbarte Leiterbahnbereiche nicht das gleiche Signal, was die Überbrückung einer Schlaufe verhindert. Es ist es auch denkbar eine kammförmige Struktur ohne dazwischen verlaufende mäanderförmige Strukturen vorzusehen, sodass die Zweige der kammförmigen Leiterstrukturen ineinander greifen.
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Auch die Merkmale der Ausführungsbeispiele für Schilde mit mehreren Leiterbahnen können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bei Detektion eines Angriffs kann das Chipkartenmodul derart ausgebildet sein, dass geeignete Abwehrmaßnahmen eingeleitet werden. Diese können darin bestehen, die integrierte Schaltung des Chips herunterzufahren oder beispielsweise einzelne Register der Schaltung zu löschen, um das Auslesen sicherheitsrelevanter Daten zu verhindern.
