DE4018688C2 - Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen das Auslesen sensitiver Daten - Google Patents

Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen das Auslesen sensitiver Daten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer inte­ grierten Schaltung gegen das Auslesen sensitiver Daten.
In allen Bereichen des elektronischen Zahlungsmittelaustauschs finden zunehmend sogenannte Chipkarten Verwendung, die in Zukunft die Magnetstreifenkarten als leicht transportable Datenspeicher und Identifikationsmittel ersetzen werden. Be­ sondere Beachtung verdient die als "smart-cart" bezeichnete intelligente Chipkarte, bei der ein Mikroprozessor den Zu­ griff auf den Inhalt eines Datenspeichers kontrolliert (s. beispielsweise NTZ Bd. 41, 1988, Heft 6, Seite 344 bis 349 und Karl-Heinz Fietta, Chipkarten: Technik, Sicherheit, Anwendungen, A. Hüthig-Verlag GmbH, Heidelberg, 1989).
Der Datenspeicher einer Chipkarte ist üblicherweise in einen frei zugänglichen Bereich, einen bedingt zugänglichen Bereich und einen geheimen Bereich unterteilt. Während der frei zugäng­ liche Speicherbereich nur die auch visuell auf der Karte ange­ brachten Daten (Kontonummer, Name des Karteninhabers usw.) ent­ hält, sind die im bedingt zugänglichen Bereich abgelegten ver­ traulichen Daten nur dem Karteninhaber über einen Geheimcode zugänglich. Die Prüfung der Richtigkeit des Geheimcodes obliegt dem Mikroprozessor, der den Zugriff auf die Daten nur bei einem positiven Prüfergebnis freigibt. Der geheime Bereich enthält Daten des Kartenausstellers (Kreditlimit des Karten­ inhabers, interne Daten der Bank usw.) die aus Sicherheits­ gründen unveränderbar bleiben bzw. geheim gehalten werden müssen. Der Zugriff über den Mikroprozessor ist dem Kartenaus­ steller nur unter besonderen Voraussetzungen gestattet.
Um die Sicherheit des Systems Chipkarte-POS-Terminal nicht zu gefährden und vor Manipulationen zu schützen, sollten die im bedingt zugänglichen und geheimen Speicherbereich der Chip­ karte abgelegten Informationen von Unbefugten nicht ausgele­ sen werden können. Während dies für die in der sogenannten floating-gate-Technik ausgeführten EEPROM-Komponenten der Schaltung gewährleistet ist, lassen sich Signale im Logikteil des Mikroprozessors relativ leicht mit Hilfe eines Elektro­ nen- oder Laserstrahls abtasten und aufzuweichen. Da der Lo­ gikteil aber ebenfalls sensitive Daten verarbeitet, ist die Geheimhaltung der in der Chipkarte gespeicherten Information gefährdet.
In der DE 36 35 938 A1 und DE 37 30 554 A1 wurde daher vorgeschlagen, das Auslesen sensitiver Daten mit Hilfe mecha­ nischer Sicherheitseinrichtungen zu verhindern.
Durch Ummantelung der Baugruppen eines PC mit einer mecha­ nisch und/oder chemisch stabilen Schutzschicht lassen sich Manipulationen an der elektronischen Komponenten verhindern oder zumindest erschweren. In IBM Technical Disclosure Bulle­ tin, Vol. 31, No. 9 (1989), Seiten 225-226 wird beispiels­ weise vorgeschlagen, die auf einer Platine montierten Bauele­ mente in ein Quarzteilchen enthaltendes Epoxidharz einzubet­ ten und sie so vor äußeren mechanischen/chemischen Eingriffen zu schützen. Außerdem regen die Autoren die Verwendung eines in die Schutzschicht eingegossenen Detektionsschaltkreises ("tamper circuit") an, der insbesondere dem autorisierten Wartungspersonal eine versuchte Manipulationen an der Hard­ ware des PC anzeigen soll.
Die Elektronik der in der FR 2 580 834 beschriebenen Chip­ karte besteht im wesentlichen aus einem Mikroprozessor, einer Speichereinheit, jeweils einem Ein- und Ausgangsinterface so­ wie einer Prüfeinheit, welche den Wert eines in einer Isola­ torfolie eingebetteten Schutzwiderstandes bestimmt und ein den jeweiligen Widerstandswert repräsentierendes Ausgangs­ signal erzeugt. Der Mikroprozessor fragt dieses Ausgangs­ signal ab und vergleicht es mit einem in der Speichereinheit abgelegten Sollwert. Da jeder Versuch, die integrierte Schal­ tung aus ihrer Schutzfolie herauszulösen und durch einen an­ deren Chip zu ersetzen eine Beschädigung der als Schutzwider­ stand dienenden Leiterschleife zur Folge hat, signalisiert eine Abweichung des Ausgangssignals der Prüfeinheit vom Soll­ wert einen unzulässigen mechanischen Eingriff. Das Lesegerät deklariert die entsprechende Chipkarte dann als ungültig und behält sie ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches das Auslesen der in einer integrierten Schaltung, insbesondere einem Chipkarten- Prozessor, gespeicherten Daten verhindert. Es soll insbeson­ dere nicht möglich sein, die Daten mit Hilfe mechanischer Spitzen oder durch Elektronen- oder Laserstrahlen auszulesen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß man keine aufwendigen mechanischen Sicherheitsein­ richtungen in der Chipkarte benötigt.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun­ gen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuterten Erfin­ dung. Hierbei zeigt Fig. 1 den Aufbau einer kontaktlosen Chipkarte.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, besteht die erfin­ dungsgemäße Chipkarte im wesentlichen aus einem Mikroprozes­ sor MP, einem Datenspeicher MEM, eine sogenannte CCI-Schnitt­ stelle und einer induktiven Koppeleinheit K, die die kontakt­ lose energie- und bidirektionale Datenübertragung zwischen der Chipkarte und einem Schreib-Lesemodul ermöglicht. Alle ge­ nannten Komponenten sind hierbei auf einer Substratfolie montiert und in einem Plastikgehäuse eingebettet. Die Schnitt­ stelle CCI erzeugt aus dem induzierten Signal die Betriebs­ spannung UCC und liefert die Taktsignale für den Mikro­ prozessor MP und den beispielsweise in CMOS-Technologie her­ gestellten EEPROM Datenspeicher MEM. Wie eingangs erwähnt, ist der Datenspeicher MEM üblicherweise in drei Bereiche unter­ teilt, wobei nur der Karteninhaber oder Kartenaussteller über einen Geheimcode Zugriff auf die in den mit V bzw. G be­ zeichneten Bereichen abgelegten vertraulichen und geheimen Daten hat. Der frei zugängliche Bereich D enthält nur die auch visuell auf der Karte angebrachen Informationen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz des Chipkarten- Prozessors MP gegen das Auslesen sensitiver Daten mit Hilfe mechanischer Spitzen oder Elektronen- bzw. Laserstrahlen kann man insbesondere dann wirtschaftlich einsetzen, wenn nur Teile der integrierten Schaltung sensitive Informationen verarbeiten. Diese Bedingung läßt sich bei Chipkarten-Prozessoren im all­ gemeinen durch ein geeignetes Design erfüllen. Das Verfahren setzt mehrere Verdrahtungsebenen voraus, wobei es gleichgültig ist, ob diese in Metall oder Polysilizium ausgeführt sind. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, die die sensitiven Daten verarbeitenden Teile der integrierten Schaltung, also insbesondere den Logikteil des Mikroprozessors MP, mit einer für Elektronen- und/oder Licht undurchlässigen Schutzschicht S zu versehen und von Zeit zu Zeit, insbesondere periodisch zu prüfen, ob sich deren charakteristische Eigenschaften infolge eines äußeren Eingriffs ändern (chemisches Ätzen bzw. plasma­ ätzen der Schicht S zur Erzeugung eines für die Abtastung der Signale erforderlichen Fensters). Als Schutzschicht S kommt ins­ besondere die oberste Metallisierungsebene der integrierten Schaltungen in Betracht, wobei man die zu schützenden Teile in diesem Fall einfach vollständig mit Metall überdeckt. Gleich­ zeitig wird mit Hilfe einer Kontrolleinheit CON oder mit dem Mikroprozessor MP selbst geprüft, ob die Schutzschicht S noch vorhanden ist oder durch äußere Eingriffe beschädigt wurde.
Dies geschieht durch Messung eines ihrer charakteristischen Merkmale. Weicht dieses Merkmal von einem dem Merkmal der intakten Schutzschicht S entsprechenden Sollwert ab, veranlaßt die Kontrolleinrichtung CON den Mikroprozessor MP die Datenver­ arbeitung abzubrechen oder fehlerhaft auszuführen und gegebenen­ falls auch den Inhalt des Datenspeichers MEM zu löschen. Der Sollwert ist hierbei vorzugsweise ebenfalls im Datenspeicher MEM abgelegt.
Als zu überwachendes charakteristisches Merkmal der Schutz­ schicht S kommen insbesondere ihr Widerstand, ihre Induktivität oder ihre Kapazität gegenüber den darunterliegenden Schichten in Betracht. Besondere Vorteile bietet die Messung der Kapa­ zität S, da diese sich mit hoher Genauigkeit herstellen und in einfacher Weise bestimmen lassen. Baut man die Kapazität bei­ spielsweise in den frequenzbestimmenden Teil eines Oszillators ein, so kann die Kapazitätsmessung auf eine einfache Frequenz­ messung zurückgeführt werden. Wie in Fig. 1 angedeutet, ent­ hält die Kontrolleinheit CON in diesem Fall dann einen Os­ zillator OS, einen Frequenzmesser FM sowie einen die gemessene Frequenz mit der Sollfrequenz vergleichenden Komparator CMP, dessen Ausgangssignal den Mikroprozessor MP ansteuert und diesen zur Unterbrechung der Datenverarbeitung und zur Löschung der im Speicher MEM abgelegten Daten veranlaßt.
Die Unterteilung der Schutzschicht in mehrere Segmente hat den Vorzug, daß man anstelle der absoluten Kapazität die gegenüber Technologieschwankungen während des Fertigungsprozesses der Schaltung wesentlich unempfindlicheren Kapazitätsverhältnisse messen kann. Ein weiterer Vorteil der Segmentierung besteht darin, daß die Absolutwerte der Kapazitäten kleiner werden, so daß sich ein in die Schutzschicht geätztes Fenster durch eine deutliche und damit leichter nachweisbare Kapazitätsänderung bemerkbar macht.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, zusätzlich auch die die vertraulichen und geheimen Informationen enthaltenden Bereiche G bzw. V des Datenspeichers MEM mit einer entsprechenden Schutzschicht zu versehen. Diese Maßnahme ist insbesondere dann zu empfehlen, wenn man anstelle eines EEPROM einen anderen Speichertyp verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch in anderen Chipkarten und allen integrierten Schaltungen anwendbar, deren Daten gegen das unbefugte Auslesen geschützt werden sollen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen das Auslesen sensitiver Daten, bei dem
  • a) zumindest die die sensitiven Daten enthaltenden und/oder verarbeitenden Teile der integrierten Schaltung (MP) mit ei­ ner dem Nachweis eines äußeren Eingriffs dienenden Schutz­ schicht (S) abgedeckt werden,
  • b) ein charakteristisches Merkmal der Schutzschicht (S) be­ stimmt wird,
  • c) das Merkmal mit einem Sollwert verglichen wird, wobei der Sollwert das an der intakten Schutzschicht (S) gemessene cha­ rakteristische Merkmal repräsentiert und
  • d) die integrierte Schaltung (MP) veranlaßt wird, die Verar­ beitung der Daten abzubrechen oder fehlerhaft auszuführen, sofern das gemessene Merkmal vom Sollwert abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Daten bei einer Abweichung des Merkmals vom Sollwert gelöscht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine für Elektronen oder Licht undurchlässige Schutzschicht (S) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Schutzschicht (S) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand, die Induktivität oder die Kapazität der Schutzschicht (S) bezüglich der darunterliegenden Schicht der integrierten Schaltung (MP) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (S) in mehrere Segmente unterteilt wird und daß die Widerstands-, Induktivitäts- oder Kapazitätsver­ hältnisse bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Kapazität mit Hilfe einer Frequenz­ messung durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des charakteristischen Merkmals in einer Speichereinheit (MEM) der integrierten Schaltung (MP) abge­ legt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das charakteristische Merkmal periodisch bestimmt wird.
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