(57)【要約】基板と、基板の第１の表面上の複数の金属パッドのアレイと、複数の金属パッドのアレイを覆うカーボンポリマー複合材料と、を備えるデバイスであって、カーボンポリマー複合材料は、ランダムコードとして使用可能な、複数の金属パッド間の複数のランダムな抵抗値をもたらす変動を有している。暗号化キーを保存している少なくとも１つのメモリーと、ＲＦ通信部とを含むディエレット基板上に複数の金属パッドのアレイを形成する工程と、カーボンポリマー複合材料中のカーボンの濃度の変動が、抵抗のユニークパターンを形成するように、複数の金属パッドのアレイを、カーボンポリマー複合材料で覆う工程と、ディエレット基板をホストコンポーネントに取り付ける工程と、セキュリティーサーバーから、抵抗のユニークパターンによって決定されるユニークコード用のリクエストを受信する工程と、暗号化キーを用いて、ユニークコードを暗号化し、さらに、セキュリティーサーバーにユニークコードを提供する工程と、を含む安全なデバイスを製造する方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の第１の表面上の複数の金属パッドのアレイと、
前記複数の金属パッドの前記アレイを覆うカーボンポリマー複合材料と、を備え、
前記カーボンポリマー複合材料は、ランダムコードとして使用可能な、前記複数の金属パッド間の複数のランダムな抵抗値をもたらす変動を有していることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記基板に取り付けられたパッケージを有するホストコンポーネントをさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記カーボンポリマー複合材料は、前記基板の前記パッケージへの取り付けをアシストする接着剤を形成する請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記パッケージは、クワッドフラットパックまたは事前形成されたセラミックパッケージのいずれか一方を含む請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記基板は、パッケージ材料に形成された窪み内において、前記パッケージに取り付けられている請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
前記カーボンポリマー複合材料は、カーボン充填エポキシ樹脂を含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記複数の金属パッドの前記アレイに電気的に接続された前記基板上の増幅器をさらに備える請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の金属パッドを覆う前記カーボンポリマー複合材料の状態のデジタル表現を生成するために、前記増幅器に電気的に接続されたアナログデジタルコンバーターをさらに備える請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
無線通信部をさらに備える請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
安全なデバイスを製造する方法であって、
暗号化キーを保存している少なくとも１つのメモリーと、ＲＦ通信部とを含むディエレット基板上に複数の金属パッドのアレイを形成する工程と、
カーボンポリマー複合材料中のカーボンの濃度の変動が、抵抗のユニークパターンを形成するように、前記複数の金属パッドの前記アレイを、前記カーボンポリマー複合材料で覆う工程と、
前記ディエレット基板をホストコンポーネントに取り付ける工程と、
セキュリティーサーバーから、前記抵抗のユニークパターンによって決定されるユニークコード用のリクエストを受信する工程と、
前記暗号化キーを用いて、前記ユニークコードを暗号化し、さらに、前記セキュリティーサーバーに前記ユニークコードを提供する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記メモリーは、デバイス識別子も保存している請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ディエレット基板は、前記覆う工程の後に、薄層化され、分離され、さらに、ホストコンポーネントに取り付けられる請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の金属パッドの前記アレイを覆う前記工程は、前記複数の金属パッドを、前記ディエレットの薄層化、分離、および前記ホストデバイスへの取り付けの間の前記ディエレットの破損を防止するのに十分な厚さの前記カーボンポリマー複合材料の層で覆う工程を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ディエレットを前記ホストコンポーネントに取り付ける前記工程は、前記ディエレットの前記ホストコンポーネントへの接着をアシストするために、前記カーボンポリマー複合材料を用いる工程を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記ディエレットを前記ホストコンポーネントに取り付ける前記工程は、前記ディエレットを、前記ホストコンポーネントのパッケージのパッケージ材料の窪み内に取り付ける工程を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記ディエレットを前記ホストコンポーネントに取り付ける前記工程は、前記ディエレットを、前記ホストコンポーネントの事前形成されたセラミックパッケージに取り付ける工程を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
取り付けられたディエレットを有するホストコンポーネントであって、前記ディエレットが、
複数の金属パッドのアレイと、
前記複数の金属パッドの前記アレイを覆い、ユニークコードをもたらす抵抗のユニークパターンを形成するカーボンポリマー複合材料層と、
前記複数の金属パッドに電気的に接続された無線通信部と、を備えている前記ホストコンポーネントと、
前記無線通信部と通信を行い、さらに、前記ユニークコードを引き出す無線問い合わせデバイスと、
前記無線問い合わせデバイスと通信を行い、前記ユニークコードを保存し、前記ユニークコードを前記ホストコンポーネントに関連付けるセキュリティーサーバーと、を含むことを特徴とするセキュリティーシステム。
【請求項１８】
前記ディエレットは、前記ユニークコードを前記ホストコンポーネントに関連付けるために、前記セキュリティーサーバーによって用いられることが可能な識別子をさらに含んでいる請求項１７に記載のセキュリティーシステム。
【請求項１９】
前記無線問い合わせデバイスおよび前記無線通信部は、暗号化された通信を用いる請求項１７に記載のセキュリティーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府出資
本発明は、アメリカ国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ： Defense Advanced Research Projects Agency）によって認可された契約番号第ＨＲ００１１−１５−Ｃ−００１０号に基づく政府支援により成されたものである。米国政府は、本発明についての一定の権利を有している。
【０００２】
関連出願
本出願は、２０１５年１月９日に出願された米国仮特許出願第６２／１０１，３９８号に基づく優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
防衛電子システムに対する脅威が、セキュリティー破壊を招くような、または、不正に改ざんされたコンポーネント（compromised or misrepresented components）によって増加している。セキュリティー破壊を招くようなコンポーネントは、再利用またはリジェクトされ、その後、許容可能なコンポーネントとして扱われる複数の真正な部分（authentic parts）から構成され得る。いくつかの例では、コンポーネントがはんだ除去により取り外され（de-soldered）され、再利用される。または、セキュリティー破壊を招くようなコンポーネントは、真正のコンポーネントよりも質が劣るという特徴を持つ、非真正で（non-authentic）、偽造された（counterfeit）コンポーネントであり得る。これに加えて、重大な脅威は、欠陥モード（failure modes）や隠し機能（例えば、バックドア、ウイルス、またはトロイの木馬）を意図的に有している悪意のある対抗者（malicious adversary）による偽造されたコンポーネントによってもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、ディエレットアーキテクチャの実施例を示す図である。
【０００５】
【図２】図２は、ディエレットの上面の実施例を示す図である。
【０００６】
【図３】図３は、ディエレット回路の回路図である。
【０００７】
【図４】図４は、集積回路（ＩＣ）製造の後、ディエレットを薄層化し、分離する方法の実施例を示す図である。
【図５】図５は、集積回路（ＩＣ）製造の後、ディエレットを薄層化し、分離する方法の実施例を示す図である。
【図６】図６は、集積回路（ＩＣ）製造の後、ディエレットを薄層化し、分離する方法の実施例を示す図である。
【０００８】
【図７】図７は、複数の金属パッドのアレイ上のカーボンポリマー複合材料の抵抗の２８サンプルユニークパターンをグラフで表したものを示す図である。
【０００９】
【図８】図８は、はんだ除去による取り外しの温度サイクル前後でのユニーク抵抗パターンの実施例を示す図である。
【００１０】
【図９】図９は、ダイ接合バキュームツールの実施例を示す図である。
【００１１】
【図１０】図１０は、パッケージ上に装着されているディエレットの実施例を示す図である。
【００１２】
【図１１】図１１は、コンポーネントセキュリティーシステムの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、無線自動識別（ＲＦＩＤ）チップアーキテクチャの実施例を示す図である。このＲＦＩＤチップは、パッケージＩＣチップのようなホストコンポーネントに取り付け可能であり、ホストコンポーネントの同一性（アイデンティティ）の安全で信頼性のある保証を提供する。ＲＦＩＤチップは非常に小さく、典型的には、１００平方マイクロメートルオーダーの寸法を有しており、５０マイクロメートル以下の厚さである。この小さいサイズのため、そして、ＲＦＩＤチップをホストＩＣチップと区別可能とするため、ディエレット（dielet：アメリカ国防総省国防高等研究事業局が発表した、偽造パーツ問題に対処するためにＩＣチップ等に組み込まれる超小型コンポーネント）と称されるＲＦＩＤチップが以下で議論される。電気的に取り付けられるディエレットは、リセット不可能（non-resettable）かつ複製不可能（unclonable）であり、パッシブな侵入および温度センサー（passive intrusion and temperature sensors）である。
【００１４】
図１の実施例では、ディエレット１０は、３つの一般的な部分、すなわち、自身のインターフェースと検出回路を有するパッシブセンサー１２、暗号化および制御のためのデジタル論理１４、およびディエレットの外部への通信を可能とするＲＦ（無線通信）部１６を有している。図２および図３を参照して後により詳細に説明されるが、パッシブセンサー１８は、侵入、温度、またはその他パラメータをセンシングすることができる。センサーインターフェース２０は、センサー１８の１つまたは複数の値を検出し、さらに、典型的にはアナログの出力信号を提供する。アナログデジタルコンバーター（ＡＤＣ）２２は、この信号を、所定のビット数を有する読み出し情報（readout）に変換する。
【００１５】
デジタル論理１４は、暗号化エンジン２６においてデジタル読み出し情報を受信し、その後、暗号化エンジン２６は、読み出し情報を、典型的には暗号化キー（セキュリティーキー）２８を用いて暗号化する。データが暗号化され、その後、ＲＦ問い合わせシステム（RF interrogation system）(interrogation：キーワードや検索条件を指定してデータベースに問い合わせを行い、目的のデータを引き出すこと）１６に伝達される。ＲＦ問い合わせシステム１６は、ディエレットのＲＦ通信回路３０と、ディエレットのオンチップアンテナ３２とから構成することができる。これにより、ディエレットと、暗号化値（encrypted values）を介してディエレットと通信を行う外部デバイス（ＲＦデバイス）との間の通信が可能となる。外部デバイス３４は、その後、外部セキリティサーバーまたはその他のストレージと通信を行い、読み出し値の復号化および検証を実行する。
【００１６】
各ディエレットは、ユニークな（固有の）センサーコードを有している。このコードは、事前にプログラムされたものでも、事前に規定されているものでもない。このコードは、ディエレットの表面上の複数の金属パッドのアレイに電気的に接続している抵抗材料によって形成されたユニークなランダム抵抗パターンに起因するものである。図２は、ディエレット１０の表面上の複数の４０のような金属パッドのアレイの実施例を示している。抵抗材料は、複数のパッドを覆うカーボンポリマー複合材料４２の厚い層（典型的には１００〜３００μｍの厚さ）から構成することができる。
【００１７】
カーボンポリマー複合材料は、典型的には、内部にカーボン材料が充填または混合された硬化性ポリマー材料から構成される。典型的には、カーボンの含有量は、ポリマー層全体に渡ってランダムに変化している。これにより、アレイの複数の金属パッド間の抵抗のユニークパターンが形成される。この抵抗のパターンは、センシングされ、デジタル化され、ディエレットのユニークセンサーコードを形成する。複数の金属パッドおよびカーボンポリマー複合材料の製造の全ては、堆積プロセス（deposition process）と同様に、典型的なＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体： Complementary Metal Oxide Semiconductor）製造プロセスに適合可能（compatible）である。これにより、ディエレットを既存の半導体製造工場において生産することが可能となる。
【００１８】
図３に示すように、トランスインピーダンス電流増幅器から構成可能な４６のような増幅器は、一定の電圧が加えられたときに、抵抗の変動を検出する。増幅器の出力は、電圧Ｖｏｕｔであり、Ｖｏｕｔ＝Ｒｆ／Ｒｉｊである。ここで、「ｉ」および「ｊ」は、センシングされている特定の抵抗のインデックス（添え字）である。例えば、パッド２（図中の４０）とパッド３（図中の４４）の間の抵抗は、Ｒｆ／Ｒ２３となる。これらのパッド間の抵抗は、特定のディエレットのユニークな指紋（fingerprint）またはコードを表す。この特定の実施例は、複数のパッドの直線的なアレイを示しているが、アレイは、２Ｄおよび３Ｄアレイを含む複数の形態をとることができることに留意しなければならない。測定値の数は、パッドの数に依存する。例えば、９個のパッド（３×３）の正方形アレイは、１２個の区別可能な測定値を提供し、１６個のパッド（４×４）のパッドは、２４個の区別可能な測定値を提供する。
【００１９】
また、図３は、６４ビット識別子（ＩＤ）２４を示している。ディエレットは、このＩＤを暗号化されていない状態で送信し、サーバーから、返答として、ノンス（nonce: 使い捨て番号）を受信する。ノンスは、暗号化処理において用いられ、暗号化処理では、ディエレットが自身のユニークコードを送信する。本実施例は、任意の長さの識別子が使用可能であり、さらに、ディエレットが他の方法で識別可能である場合には、識別子自身が任意的（optional）なものであることを理解した上で、６４ビット識別子を用いている。
【００２０】
金属パッドアレイとカーボンポリマー複合材料から構成されるパッシブセンサーは、侵入およびその他不正に対する保護（プロテクト）を提供する。カーボンポリマー層は、ユニークコードを提供する。何故ならば、ユニークコードは、材料内の複数の導電性カーボン浸透経路（conductive carbon percolation paths）における複数のランダムな抵抗変動（random resistance variations）に起因するからである。−５５〜１２５℃の軍事特有の範囲のような広いストレージ温度範囲によって、絶対抵抗値の複数の変動が、ディエレットの製品寿命（lifetime）全体に渡って発生し、これら変動は、ほぼ一定で持続する。測定分解能に対する適切な割り当て（proper allowance for measurement resolution）、ディエレットの寿命および他の考慮事項、並びに、エラー修正コードの使用の可能性によって、測定値は、デジタル化のときのディエレットのユニークコードのための基礎（basis）を提供することができる。しきい値の適切な調整は、これら要素を調整するための手段を提供する。
【００２１】
このように、ディエレットが取り付けられているホストコンポーネントからディエレットを取り外そうとする試みは、ランダム抵抗パターンによって生成されるコードを変化させることになるので、カーボンポリマー複合材料は、侵入センサーとして機能する。これは、カーボンポリマー層がプロセス中に損傷や欠損、その他変化することに起因している。抵抗パターンのこのような変化は、ディエレットがホストコンポーネントから取り外されたことを示す。また、はんだ除去による取り外しおよび再はんだ付けによる取り付けサイクル（desoldering and resoldering cycles）に関連する熱サイクルが、しきい値の範囲外の抵抗値パターンの変化をもたらす場合、ディエレットは、温度センサーとして機能する。
【００２２】
ディエレットのみが、ユニークコードを読み取ることができる。ユニークコードは、外部からは直接に読み取ることができない。ディエレットを取り外そうとする試みは、コードを破壊することになるので、ユニークコードをリバースエンジニアリングすることはできない。コードを読み取るセンサーインターフェースは、ディエレット上の非常に小さな半導体領域を必要とし、さらに、より高度な（先端的な）半導体技術に容易に適用（拡張）可能である。また、コードや自身のセキュリティーを保持するための外部電源（電力）を必要としない。
【００２３】
ディエレットは、ＣＭＯＳ製造が完了した後の薄層化により、脆弱な壊れやすいコンポーネントとして意図的に製造されている。ディエレットの壊れやすさは、ディエレットをホストコンポーネントから取り外すことを非常に困難とするので、セキュリティーのためには望ましい特徴である。しかしながら、非常に薄い（５０マイクロメートル以下の厚さの）ディエレットを、既に製造された半導体ＩＣウェハーから形成することは非常に困難である。何故ならば、半導体のそのような薄い部品（ピース）は、非常に壊れやすく、非常に容易に破損し、さらに、薄層化された後には、取り扱いが非常に難しいからである。図４〜６は、ディエレットを壊れやすくするように、製造済みの半導体ＩＣウェハーから複数のディエレットを形成する方法の１つの実施例を示している。
【００２４】
図４は、ディエレットを薄層化し、さらに、個々のディエレットに分離する前のセミコンダクターウェハー５０上に形成された複数のディエレットを示している。複数の４０のような金属パッドのアレイは、各ディエレットの表面上に位置している。図４では、カーボンポリマー複合材料４２が半導体ウェハー表面全体に塗布され、ＣＭＯＳ製造後の複数のパッドを覆っている。複合材料フィルムと半導体ウェハーの組み合わせは、薄型の半導体層単独よりもずっと厚いため、カーボンポリマー複合材料層は、図５に示すように、後に、半導体ウェハーを、壊れやすさによる困難さを伴わずに、後面側から薄層化するのに十分なだけの厚さを有している。ウェハーに対して実行される薄層化の量は、エピキタシー（epitaxy）や注入（implantation）のように、上面から基板内へ向けて下方へ延伸する任意の回路コンポーネントを考慮に入れて決定する必要がある。また、薄層化の量は、材料上への負荷（strains on the material）や微細なヒビによって生じるような、薄層化プロセスによってウェハー内に発生する脆弱性や欠陥を避けるために、制限される必要がある。
【００２５】
ポリマー複合材料は、硬化していても、部分的に硬化していてもよく、形成される層を堅牢（ロバスト）にし、後工程での負荷に耐え得るようにする。これにより、例えば、図６に示すように、ダイシングフィルム４６を用いたダイシング（dicing）や切り出し（sawing）によって、薄いディエレット基板１０を破壊することなく、比較的に薄く、さらに壊れやすいウェハーを、個々のディエレットに分離することができる。
【００２６】
温度センシングに関し、ディエレットおよびコードは、偽造コンポーネントの製造に関連するはんだ除去による取り外し操作の間に発生するであろう温度サイクルの不可逆な検出を提供することができる。しかしながら、センサー材料の適切な形成によって、正規の回路基板組み立てにおいて用いられる定常ウェーブはんだ付け（ordinary wave soldering）は、センサーコードに損傷を与えない。上述のように、コードは、複数の形態を取ることができる。図７は、２８サンプル抵抗指紋（28-sample resistance finger print）を示している。このパターンは、パッドの上面に塗布された１５０マイクロメートル厚のカーボンポリマー複合材料を有する、それぞれ８個のパッドの４列のアレイを用いて測定された。このようなユニークコードを有するディエレットが侵入、取り外し、または、はんだ除去による取り外しに関連する温度変化を受けると、コードが変化または破壊される。
【００２７】
図８は、破壊されたコードの例を示している。ダイアモンド形のデータポイントを有する上側のラインは、カーボン複合材料によって覆われた直線状の８つのパッドのアレイから得られた７つの値からなるコードを表している。正方形のデータポイントを有する下側のラインは、２６０℃で５分間保持された（典型的なはんだ除去による取り外し操作とよく似た環境）後のコードを表している。コードのユニークパターンは、完全に消去されている。前述のように、はんだを１０秒間溶融させるために材料に施されるウェーブはんだ付けは、抵抗パターンを変化させないことが実験から分かっている。これにより、偽造や不正改ざんから保護される必要のあるコンポーネントであるホストコンポーネントに、ディエレットを取り付け、さらに、コードを破壊することなく、基板にはんだ付けすることが可能となる。
【００２８】
図９および１０は、ディエレットをホストコンポーネントに取り付ける方法の実施例を示している。図９に示すように、ディエレット１０は、先端部が円錐状のダイ接合バキュームツール６０によってダイシングフィルムからピックアップされ、ホストコンポーネントパッケージ７０の接合棚６２上に配置される。本実施例においては、ホストコンポーネントパッケージは、セラミックパッケージから構成されており、ホストダイ（host die）を取り付ける前の状態が示されている。図１０は、プラスチック成型クワッドフラットパック（ＱＦＰ： Quad Flat Pack）の表面に形成された窪み内に挿入されているディエレット１０の実施例を示している。
【００２９】
厚いカーボンポリマーコーティングは、バキューム先端によるディエレットのピックアップによる、壊れやすいディエレットへの負荷を軽減する。加えて、カーボンポリマー複合材料は、ディエレットのホストコンポーネントのパッケージへの接着をアシストする。カーボンポリマー複合材料は、カーボン充填エポキシ樹脂（carbon-loaded epoxy resin）から構成することができる。いくつかの実施例は、切り出しの前の製造プロセスにおいてカーボンポリマー複合材料が硬化されている場合であっても、カーボンポリマー複合材料の厚さを維持している。別の実施例では、樹脂は、部分的にのみ硬化されていてもよい。ディエレットがカーボンポリマー複合材料によって取り付けられると、その後、典型的には、標準的なＩＣ製造エポキシ樹脂のオーバーコート（overcoating）が施される。
【００３０】
ディエレットがホストコンポーネントに取り付けられると、図１１に示すようなセキュリティーシステムは、ユニークコードを用いてホストコンポーネントの検証および認証を行うことができる。図１１に示すように、ＲＦプローブ（探針）は、スマートフォン８０やタブレットコンピューターのようなモバイルデバイスに取り付け可能である。モバイルデバイスは、その後、おそらくはＶＰＮを介して、セルラー方式通信またはインターネット接続で、セキュリティーサーバー８２と安全な方法で通信を行う。セキュリティーサーバーは、コードおよび関連するコンポーネントのリストを保持しており、デバイスの認証を可能としている。ホストコンポーネントパッケージの拡大図に示されているように、ディエレット１０は、ホストダイ７２のパッケージ７０内の窪み内に位置している。ディエレットは、カーボンポリマー複合材料４２および標準的なＩＣパッケージ樹脂７４のオーバーコートによってホストパッケージ内に埋め込まれている。
【００３１】
このように、ディエレットの物理的特性に基づく、ユニークかつランダムに生成されたコードを判別することができる。コードが生成され、ディエレットがホストパッケージ内に組み込まれる新規な方法によって、このコードは、複製不可能となり、さらに、リバースエンジニアリング、取り外し、または不正改ざんが不可能となる。
【００３２】
上に開示された特徴およびその他の特徴、機能またはその代替の様々な変形が複数の異なるシステムまたはアプリケーションにおいて組み合わせ可能であることは十分に理解されるであろう。本発明における様々な現在の予測または予期できない代替、変形、変更、または改良が、本分野における当業者によって後に行われるであろうが、それらもまた以下の特許請求の範囲に包含されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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