Brevet FR2893183A1 — publié le 20070511

PROCEDE DE PROTECTION D'UN COMPOSANT ELECTRONIQUE CONTRE LES ATTAQUES PAR INJECTION DE FAUTE La présente invention concerne la protection des composants électroniques contre les attaques par injection de faute. Les cartes à puce font l'objet de nombreuses tentatives de piratage, 10 notamment par des attaques actives par injection de faute, au cours desquelles le pirate potentiel perturbe physiquement le circuit intégré de la puce en vue de modifier le comportement de cette dernière et de dérouter le code logiciel vers un autre type d'exécution. En particulier, l'injection de rayons lumineux ou, plus généralement, d'ondes 15 électromagnétiques (laser, lumière blanche, onde magnétique, etc.), perturbe le fonctionnement des composants électroniques et peut, par là même, introduire des failles dans le fonctionnement du logiciel chargé dans ces composants. 20 Une telle technique nécessite toutefois un calage précis de la perturbation dans le temps (au cours de l'exécution du logiciel) et dans l'espace (position en x, en y et en z de l'injection dans ou sur le composant matériel). Ce calage se fait systématiquement par jeux d'essai-erreur en essayant d'intégrer un maximum de logique liée à la 25 connaissance des caractéristiques techniques du logiciel et du composant pour réduire le nombre de re-jeux. Généralement un échantillon est détruit partiellement ou complètement à chaque re-jeu. Une difficulté majeure dans la mise en oeuvre de ce type d'attaque est 30 constituée par la définition de ce calage en temps et en espace. Une fois qu'il est réalisé, l'attaque devient alors répétable, automatique et donc très facile et dangereuse.5 Le problème à résoudre ici consiste donc à empêcher systématiquement la mise en oeuvre de ce calage par re-jeux successifs. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de protection d'un composant électronique susceptible d'être l'objet d'attaques par injection de faute, ce procédé comprenant une étape d'encapsulation au moins partielle du composant dans au moins une couche protectrice d'un matériau présentant des caractéristiques aléatoires de transmission des rayonnements électromagnétiques. Le principe de l'invention réside donc dans le fait que chaque échantillon d'un même produit (composant + logiciel) a un comportement différent lors d'attaques identiques. L'injection du signal lumineux ou magnétique reste possible, mais sa propagation vers et au sein du composant varie selon les échantillons, de sorte que son arrivée sur la zone sensible du composant est calée différemment dans l'espace et dans le temps, ce qui rend impossible un calage par jeux d'essai- erreur. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comprend, en vue de l'obtention dudit matériau, une étape de mélange de particules présentant au moins un premier indice de réfraction dans au moins une résine présentant un deuxième indice de réfraction. On sait qu'un rayon lumineux se propageant dans un milieu matériel (ou dans le vide) est généralement dévié lorsqu'il rencontre un autre milieu, par réflexion ou par réfraction selon qu'il reste ou non dans le premier milieu. Ces changements de direction sont basés sur les lois de l'optique géométrique (Snell-Descartes) qui seront rappelées ci-après. Ainsi, le rayonnement injecté subira des changements de direction à chaque interface entre la résine d'enrobage et les particules qu'elle contient. L'emplacement de ces particules et leurs formes et dimensions étant aléatoires, il en sera de même du cheminement suivi par le rayonnement. Dans un autre mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comprend des étapes d'encapsulation au moins partielle du composant dans au moins une couche protectrice dont la surface extérieure et/ou les interfaces présentent des états de surface aléatoires. Pour les mêmes raisons que ci-dessus liées aux lois de l'optique géométrique, le rayonnement injecté subira au franchissement de la surface extérieure de la couche externe et/ou des interfaces entre couches, des déviations aléatoires. Ces déviations seront bien entendu fonctions des indices de réfraction des différents milieux concernés, mais également de l'angle d'incidence sous lequel chaque interface est abordée par le rayonnement, cet angle étant aléatoire en un point donné de l'interface du fait de son état de surface inconnu. Egalement dans un mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comprend une étape d'impression en surface dudit matériau de reliefs aléatoires. Lorsque l'on vise plus particulièrement la protection d'un composant réalisé sous la forme d'un empilement de couches semi-conductrices, le procédé peut comprendre une étape d'encapsulation au moins partielle d'au moins une couche semi-conductrice dans au moins une couche protectrice dudit matériau. C'est alors le cheminement du rayonnement au sein même du composant qui est perturbé et rendu aléatoire. Bien entendu, lorsqu'il est question d'au moins une couche semi-conductrice, on entend également un sous-ensemble de plusieurs couches semi-conductrices individuelles. L'intercalation des couches protectrices et semi-conductrices sera réalisée par l'homme de métier en fonction de la conception du composant lui-même et de son procédé de fabrication. Ce mode de réalisation offre l'avantage de résister à toute tentative d'érosion ou de limage de la surface pour la rendre plane, ou d'élimination du matériau à transmission aléatoire puisque ce matériau est enfoui et mêlé au composant lui-même. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a également pour objet un composant électronique au moins partiellement encapsulé dans au moins une couche protectrice d'un matériau présentant des caractéristiques aléatoires de transmission des rayonnements électromagnétiques. Dans un mode de réalisation particulier, le matériau d'encapsulation présente des variations aléatoires d'indice de réfraction. Plus particulièrement, le matériau d'encapsulation peut être composé de particules présentant au moins un premier indice de réfraction immergées dans au moins une résine présentant un deuxième indice de réfraction. Encore plus particulièrement, au moins certaines particules peuvent être réfléchissantes. Les particules précitées sont de préférence réalisées dans un matériau 25 présentant une importante différence d'indice de réfraction par rapport à celui de la résine. A titre d'exemple, on pourra choisir un matériau à fort indice de réfraction, notamment un matériau choisi dans le groupe comprenant le verre, le plomb, le cristal et le diamant. 30 En effet, si la résine présente un indice normal relativement faible, des particules d'indice élevé provoqueront des déviations importantes au franchissement des interfaces. 20 Dans un mode de réalisation particulier, le matériau d'encapsulation présente un état de surface aléatoire. Plus particulièrement, le composant peut être partiellement encapsulé dans une pluralité de couches protectrices dont les interfaces présentent des états de surface aléatoires. Dans le cas d'un composant réalisé sous la forme d'un empilement de couches semi-conductrices, ce composant peut avoir au moins une de ses couches semi-conductrices individuellement encapsulée dans au moins une couche protectrice dudit matériau. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a également pour objet une carte à puce, comprenant au moins un composant électronique tel que décrit ci-dessus. Selon encore un autre aspect de l'invention, celle-ci a également pour objet une installation pour la fabrication de cartes à puce, comprenant des postes pour la mise en oeuvre du procédé de protection de composants électroniques tel que décrit ci-dessus. Cette installation pourra notamment comprendre des postes de préparation d'un composite résine/particules, et d'enrobage de composants électroniques dans une ou plusieurs couches de cette résine ou de toute autre résine ou mélange de résines présentant des caractéristiques aléatoires de transmission des rayonnements électromagnétiques. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 illustre les principes de l'optique géométrique à la base de l'invention ; - la figure 2 est un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est un schéma d'un troisième mode de réalisation de l'invention - la figure 5 illustre le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 3 ; - la figure 6 illustre un exemple de valeurs numériques dans des applications de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue en coupe simplifiée d'une carte à puce selon l'invention ; -la figure 8 est une vue à plus grande échelle très schématique en coupe selon la ligne VIII-VIII de la figure 7 ; - et la figure 9 est un schéma par blocs illustrant une installation de fabrication de cartes à puce selon l'invention. On rappelle à la figure 1 les principes à la base de l'invention. Un rayon lumineux 1, se propageant dans un milieu 1 et injecté avec un angle d'incidence a à l'interface 3 avec un milieu 2, est en partie réfléchi avec un angle 8 et en partie absorbé avec un angle R. Les lois de la physique imposent que les angles a, R et 8 soient liés par les équations 8=a nl.sin((3 û 90 = 2.sin(90 -a) où ni et n2 sont les indices absolus de réfraction des milieux 1 et 2. Pour simplifier, on se limitera dans ce qui suit à la partie absorbée. Le tableau 1 donne quelques valeurs d'indice de réfraction absolu selon le matériau. 30 Matière Indice absolu Vide 1 Air 1,003 Glacer 1,31 Eau 1,33 Alcool éthylique 1,36 Quartz 1,46 Plexiglas 1,5 Verre (crown) 1,52 Plomb 1,85 Verre au plomb 1,9 Diamant 2,46 Tableau 1. Exemples d'indice absolu On sait par ailleurs que la valeur de l'indice absolu pour une matière donnée varie avec la longueur d'onde du rayonnement. C'est le phénomène de dispersion. Le tableau 2 donne la variation de l'indice absolu du verre crown en fonction de la fréquence de l'onde lumineuse. Fréquence (1014 Hz) Couleur Indice absolu 8,31 Ultra-violet proche 1 ,539 6,92 Bleu sombre 1 ,528 6,18 Bleu vert 1,523 5,1 Jaune 1,517 4,57 Rouge 1,514 3,91 Rouge sombre 1,511 2,5 Infrarouge proche 1,505 1,5 Infrarouge 1,497 Tableau 2. Variation de l'indice absolu du verre crown en fonction de la fréquence de l'onde lumineuse Comme montré à la figure 2, si l'interface 3 entre les milieux 1 et 2 est rendue aléatoire, alors un rayonnement injecté 1 depuis une direction bien définie arrive néanmoins sur cette interface avec un angle a aléatoire par rapport à l'angle d'injection. Les angles de diffraction R et de réflexion 8 seront donc différents dans chaque cas. Il n'est donc pas possible de prévoir le point où le rayonnement rencontrera le composant 5, ni d'assurer le calage spatial de ce composant, nécessaire à l'injection de faute. Plutôt qu'une seule interface qui peut être polie pour éliminer son caractère aléatoire, on peut prévoir comme dans la figure 3 un empilement aléatoire de plusieurs couches en relief 6, 6', 6", chaque couche ayant un indice de réfraction qui lui est propre. Les interfaces peuvent être réalisées sous la forme d'hologrammes matricés sur la surface extérieure de chaque couche préalablement à l'application de la couche suivante. Un autre mode de réalisation est représenté à la figure 4. Il consiste à injecter des particules 7 de molécules d'indices différents dans une matrice 8 en résine pour introduire le caractère aléatoire non pas en surface, mais au sein même du matériau afin de reproduire le même principe de cheminement aléatoire dans les couches interne du matériau, au niveau des interfaces d'entrée et de sortie des particules. Dans ce cas, le caractère aléatoire est mis en oeuvre non seulement pour l'absorption mais également pour la réflexion ; l'aspect aléatoire est donc complexifié d'autant au sein même de la matière. Un gaz, un liquide, ou une matière de texture différente pourrait par exemple être injecté aléatoirement. L'invention exploite donc cette notion de surface et matière aléatoires afin que le rayonnement soit absorbé et réfléchi de façon aléatoire entre le milieu extérieur et le composant où est exécuté le logiciel. L'absorption étant rendue volontairement aléatoire par la nature aléatoire de la surface et la matière du composant, le re-jeu devient impossible. La mise en oeuvre d'attaques par injection de fautes est donc complexifiée et rendue infaisable car à chaque essai on perturbe une zone différente du silicium à un instant différent dans l'exécution du logiciel compte tenu du temps de propagation également différent dans la matière. Pour contrer toutes les fréquences de rayonnement, on peut prévoir une superposition de couche de textures différentes, comme montré à la figure 5 qui montre le cheminement de deux rayons 10, 10' de fréquences différentes au sein de la même combinaison de couches. Le choix des matériaux se fera en tenant compte de la puissance et de la fréquence des signaux pour lesquels on souhaite voir le signal absorbé ou dévié. On peut notamment lister le verre, le cristal, le plomb, ou le diamant. Le procédé selon l'invention n'a donc pas pour but d'empêcher l'injection de signaux mais bien d'empêcher le re-jeu. Si le hasard fait qu'un produit est attaqué avec succès, une autre mise en oeuvre de cette attaque sur un autre échantillon en utilisant les mêmes données de calage en temps et en espace, est rendue inexploitable avec une probabilité définie par la probabilité du procédé aléatoire. La figure 6 et les tableaux 3 et 4 ci-dessous donnent deux exemples de déviation de signaux lumineux dans une couche de 800 m d'épaisseur de diamant et de verre au plomb respectivement, pour un rayonnement se propageant initialement dans l'air. On suppose de plus que le signal est dévié d'un angle ri de 22,5 afin de garantir un écartement de 400mm par rapport à l'axe d'impact avec la surface du composant. On considère par ailleurs une variation de 3% en plus ou en moins de la valeur de l'indice absolu pour tenir compte des différentes fréquences possibles et du phénomène de dispersion. Indice absolu Valeur de l'angle 0 Valeur de l'angle ri N=2,46 70,2 22,5 N+3%=2,53 75,5 22,5 N-3%=2,38 65,6 22,5 Tableau 3. Diamant Indice absolu Valeur de l'angle 0 Valeur de l'angle ri N=1 ,9 46,6 22,5 N+3%=1 ,96 48,6 22,5 N-3%=1 ,84 44,8 22,5 Tableau 4. Verre au plomb On constate que, pour atteindre un point donné, l'angle d'incidence varie de 65,6 à 75,5 dans le cas du diamant et de 44,8 à 48,6 dans le cas du verre au plomb, en fonction de la fréquence du rayonnement. On voit aux figures 7 et 8 une représentation très schématique d'une application de l'invention à une carte à puce. La carte 15 possède une cavité dans laquelle est logé un composant 20 électronique 16 avec ou sans contacts extérieurs, non représentés en 15 tout état de cause. Le composant 15 est ici enrobé d'un matériau composite 17 constitué par un mélange de résine isolante dans laquelle sont dispersées des particules, par exemple de verre. Comme on le voit à la figure 8, le composant 16 est un composant multi-couches formé d'une pluralité de couches semi-conductrices 18 réunies par des éléments conducteurs 19. Le matériau 17 est ici également intercalé entre les différentes couches 18. En variante, le matériau inter-couches pourrait évidemment être différent du matériau d'enrobage extérieur. Cette carte à puce peut être fabriquée sur une installation telle que celle de la figure 9 dans laquelle on voit un ensemble de postes 20 de préparation de la carte et du composant. L'installation comprend en outre un poste 21 de mélange de résine isolante et de particules de verre, ainsi qu'un poste 22 d'enrobage du composant dans le matériau composite obtenu au poste 21, et d'assemblage du composant enrobé et de la carte. 20 Ce matériau composite peut être utilisé dans la fabrication d'un module à plages de contact électrique de carte à puce. Il peur être déposé sur le support du circuit intégré au niveau de son emplacement ; le matériau peut également remplacer l'enrobage classique de la puce sur 25 le module après sa connexion.15 REVENDICATIONS 1 Procédé de protection d'un composant électronique susceptible d'être l'objet d'attaques par injection de faute, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape d'encapsulation au moins partielle dudit composant (5, 16) dans au moins une couche protectrice (6, 6', 6" ; 17) d'un matériau présentant des caractéristiques aléatoires de transmission des rayonnements électromagnétiques. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant, en vue de l'obtention dudit matériau, une étape de mélange de particules (7) présentant au moins un premier indice de réfraction dans au moins une résine (8) présentant un deuxième indice de réfraction. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant des étapes d'encapsulation au moins partielle dudit composant dans au moins une couche protectrice dont la surface extérieure (3) et/ou les interfaces présentent des états de surface aléatoires. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une étape d'impression en surface dudit matériau de reliefs aléatoires. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour la protection d'un composant réalisé sous la forme d'un empilement de couches semi-conductrices (18), ledit procédé comprenant une étape d'encapsulation au moins partielle d'au moins une couche semi-conductrice dans au moins une couche protectrice dudit matériau. 6. Composant électronique, caractérisé par le fait qu'il est au moins partiellement encapsulé dans au moins une couche protectrice (6, 6', 6" ; 17) d'un matériau présentant des caractéristiques aléatoires de transmission des rayonnements électromagnétiques. 7. Composant électronique selon la revendication 6, dans lequel le matériau d'encapsulation présente des variations aléatoires d'indice de réfraction. 8. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel le matériau d'encapsulation est composé de particules (7) présentant au moins un premier indice de réfraction immergées dans au moins une résine (8) présentant un deuxième indice de réfraction. 9. Composant électronique selon la revendication 8, dans lequel au moins certaines particules sont réfléchissantes. 10. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel lesdites particules sont réalisées dans au moins un matériau choisi dans le groupe comprenant le verre, le plomb, le cristal et le diamant. 11. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel le matériau d'encapsulation présente un état de surface aléatoire. 12. Composant électronique selon la revendication 11, au moins partiellement encapsulé dans une pluralité de couches (6, 6', 6") protectrices dont les interfaces présentent des états de surface aléatoires. 13. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, réalisé sous la forme d'un empilement de couches semi-conductrices (18), ledit composant ayant au moins 30 une de ses couches semi-conductrices (18) individuellement encapsulée dans au moins une couche protectrice dudit matériau. 14. Carte à puce, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un composant électronique (16) selon l'une quelconque des revendications 6 à 13. 15. Installation pour la fabrication de cartes à puce, caractérisée par le fait qu'elle comprend des postes (21, 22) pour la mise en oeuvre du procédé de protection de composants électroniques selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.