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一种基于硅转接板的高安全芯片集成技术研究.docx
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一种基于硅转接板的高安全芯片集成技术研究.docx
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1. 引言
随着物联网、人工智能等信息技术的迅猛发展和广泛应用,信息安全问题也日益突出.
目前,信息安全已不仅仅是软件安全和网络安全,作为信息技术核心基石的芯片,其面临
的安全风险也在不断增加,遭到的攻击类型日益多样化和复杂化.因此,针对芯片攻击和防
护技术的研究越来越受到人们的重视
[1-2]
.
针对芯片的物理攻击,主要以侵入式攻击和非侵入式攻击为主,其中侵入式攻击发展
较早,已经比较成熟,是芯片面临的重要安全威胁.在侵入式物理攻击中,一般首先采用化
学蚀刻或激光的方法对芯片进行逆向开封.然后,利用聚焦离子束(FIB)和微探针台监控芯片
内部走线或者修改原有的互连结构,从而窃取芯片内部的关键数据.在 2005 年,剑桥大学
S. KOROBOGATOV 采用 FIB 和微探针结合的方法,成功对微控制器芯片实现了攻击
[3]
.2010 年,RAY 进一步展示了 FIB 攻击的具体原理和攻击过程
[4]
.2017 年,王敏等人对带
有防护结构的芯片实施了物理入侵攻击,成功探测到芯片内部存储器中的数据信号
[5]
.2019
年,SHI 等人采用微探针从背面对芯片实现了侵入式物理攻击
[6]
.
对于非侵入式攻击,攻击者主要通过搜集芯片正常工作过程中对外产生的侧信道信息
泄露(如能量消耗、电磁辐射),进而利用统计方法对采集到的泄露信息进行处理分析,从
而获取芯片内部的关键数据,这种攻击方法也常被成为侧信道攻击.侧信道攻击最典型的应
用是针对密码芯片的攻击,通过分析芯片加解密过程中的侧信道信息,能够恢复出密钥
[7]
.
为了增强芯片的抗物理攻击能力,人们进行了广泛研究.一种方式是将芯片与传感器进
行集成,从而实现攻击的实时检测.在 2014 年,D. SHAHRJERDI 等人将芯片与 MEMS 传
感器进行高密度集成,如果传感器检测到威胁,则启动保护策略将敏感信息或关键电路进
行自毁
[8]
.另一种防护方法是采用先进的封装技术来提高芯片的安全性.如通过传统的引线键
合技术形成一个金属屏蔽网对芯片进行保护,如果遭到侵入式攻击,不可避免会对金属屏
蔽网进行破坏,从而使得芯片能够检测到所面临的攻击.同时,随时“摩尔定律”缩减越来越
困难,基于 2.5D 硅转接板以及 3D 封装的先进集成技术得到了大力发展,其对芯片的设
计、加工以及产业链演进都产生了重大影响,2.5D/3D 集成技术已经在诸多领域得到了广
泛应用,成为提升芯片集成度的一个重要发展方向
[9]
.因此,基于 3D 的芯片安全防护设计
技术也逐渐被人们关注和研究.2016 年,Y. XIE 等人研究 3D 集成技术对芯片安全性的影
响,指出芯片三维堆叠的结构使得逆向工程更加困难,而且芯片内部的关键数据也能够以
随机的方式散布在不同层中,使得攻击过程更加困难.因此,3D 集成技术可以提升芯片的
安全防护能力
[10]
.J. DOFE 等人系统研究 3D IC 中电源网络噪声对芯片侧信道安全性的影
响,并构建了基于跨电源分配网络的芯片安全防护设计方法
[11]
.然而,3D 集成技术的整体
成本相对较高,而且制造工艺也不成熟,在实际应用仍面临一些困难.
本文针对芯片面临的物理攻击威胁,充分利用 2.5D 硅转接板的结构特点,采用湿法
腐蚀的方法在硅转接板上形成倒梯型埋置槽结构,并在槽内进行金属屏蔽防护网络的设计
和制备,形成针对芯片的三维立体防护结构.该结构在保证芯片具有较高集成密度的同时,
将芯片的抗物理入侵检测精度提升至微米级,同时大幅削减了芯片对外电磁辐射强度,增
强了芯片抵御电磁侧信道攻击的防护能力.
2. 集成方案设计与工艺流程
2.1 整体方案设计
本文所设计的基于硅转接板的高安全高密度芯片集成结构如图 1 所示,整个结构系统
由三个芯片组成:一个 CPU、一个存储器和一个多功能传感器,表 1 列出了各个芯片以及
转接板的尺寸.
图 1 整体结构示意图
Figure 1. The designed schematic
下载: 全尺寸图片 幻灯片
表 1 芯片和转接板尺寸
Table 1. The dimension of chips and interposer
参数
长度/mm
宽度/mm
厚度/
μ
m
CPU
2.0
2.0
100
存储器
3.3
1.8
100
传感器
2.8
2.8
100
转接板
8.5
8.5
300
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三个芯片均放置于硅转接板的埋置槽中,并且在各个方向上都被金属屏蔽防护网络所
包围.整个金属屏蔽防护网络由两部分构成,一部分通过沉积的方法制备于埋置槽的底部和
侧壁,另一部分位于转接板上面的 RDL(Re-Distribution Layer)中.所有的金属屏蔽防护网络
首尾相连,形成一个完整的回路,并且连接到 CPU.当对芯片进行侵入式物理攻击时,不可
避免的会破坏金属屏蔽防护网络,而 CPU 则可以检测到侵入威胁并采取相应的防护策略.
同时,整个金属屏蔽防护网络还构成了一个法拉第笼,芯片被封闭在其中,从而大幅
减少了芯片对外的电磁辐射.对于非侵入式攻击而言,电磁辐射信息的收集更加困难.因此,
芯片的抗侧信道攻击防护能力也得到了加强.在所设计的结构中,金属屏蔽防护网络的线宽
和线间距决定了入侵检测的分辨率和保护能力,较小的线宽和线间可以提供更好的保护效
果.
2.2 硅转接板的结构设计
在所设计的高安全集成方案中,转接板是最重要的结构.需要在转接板上制作埋置槽结
构和金属屏蔽防护网络.对于埋置槽结构,通常的制备有干法蚀刻和湿法蚀刻两种.然而干法
蚀刻得到的槽结构具有垂直侧壁,使得后续在侧壁上进行布线变的困难.同时,干法蚀刻的
成本也相对较高.因此,综合考虑之后,本文充分利用单晶硅的晶格结构特点,采用 KOH
湿法蚀刻的方法得倒梯形埋置槽,如图 2 所示.
图 2 倒梯形埋置槽结构形成示意图
Figure 2. The schematic of the trench structure
下载: 全尺寸图片 幻灯片
对于单晶硅来说,当采用 KOH 等强碱溶液进行腐蚀时,<100>晶向的腐蚀速率要比
<111>晶向快得多.因此,在(100)取向的硅片表面进行 KOH 湿法蚀刻时,会形成一个倒
梯形,其侧壁平行于{111}晶面,沟槽侧壁的角度由晶格结构决定,对于单晶硅而言,该角
度为 54.7°.
在实验中,设计的埋置槽开口尺寸 WS 可用如下公式表示:
WS=W+2Hcot54.7∘WS=W+2Hcot54.7∘
(1)
式中,W 为埋置槽的底部宽度,H 为槽深.假设芯片宽度 W=1.8mm,H=100μm,则
WS 约为 1.94mm.通常考虑工艺误差,WS 可以略微大一点,本实验中取 1.95mm.
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