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Die
Erfindung betrifft ein vor physikalischen Angriffen geschütztes Chipkartenmodul
mit einem auf einem Substrat montierten Chip. Ferner betrifft die
Erfindung ein Substrat für
solch ein Chipkartenmodul.
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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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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Schutz vor physikalischen
Angriffen für
ein Chipkartenmodul vorzusehen, der kostengünstiger ist.
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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, sodass die erste Leiterstruktur zumindest zum Teil in einem
zentralen Bereich verläuft.
Der Chip umfasst Anschlüsse
und ist über
dem zentralen Bereich auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet,
wobei einer der Anschlüsse
mit dem einen Kontaktbereich verbunden ist.
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Ferner
ist auch ein Substrat zur Lösung
der Aufgabe vorgesehen. 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
aus einer Mehrzahl von Kontaktbereichen zu einem anderen Kontaktbereich und/oder
zu einer zweiten Leiterstruktur, die über eine Durchkontaktierung
im Substrat mit den Kontaktflächen
verbunden ist, geführt,
sodass die erste Leiterstruktur zumindest zum Teil in einem zentralen Bereich
zwischen den Kontaktbereichen verläuft.
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Vorteil
dieser Anordnungen ist, dass das durch die ersten Leiterstruktur
ausgebildete Schild im selben Schritt wie die Kontaktbereiche auf
dem Substrat aufgebracht werden können.
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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
Zentralbereichs erstreckt. Der Zentralbereich 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
Zentralbereich, sodass 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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Vorteilhafterweise
ist der Chip ausgebildet, 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 zu vergleichen und Unterschiede der Signale
zu detektieren, um auf einen Angriff zu schließen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
erklärt.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Chipkarte mit einem Chipkartenmodul, auf dem
ein Chip in Flip-Chip-Technik montiert ist,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur,
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6 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der als Schild ausgebildeten Leiterstruktur und
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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 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
Kontaktfelder 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, sodass in diesem Bereich durch das Substrat 3 die
Verbindung zu den Kontaktfeldern 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, sodass 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 Zentralbereichs 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 Zentralbereichs 25 und damit auch des Bereichs
innerhalb der Konturlinie 12 erstreckt. Die Abstände benachbarter Leiterbahnbereich
sind möglichst
gering, sodass der Schutz des dadurch ausgebildeten Schildes nicht durch
Angriffe zwischen den Leiterbahnbereichen umgangen werden kann.
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Wenn
die schützende
Leiterbahn 11 im Rahmen eines Angriffs zerstört wird,
wird der Chip nicht mehr mit Strom versorgt. Wenn die Leiterbahn 11 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 11 zugeführte
Spannung hinsichtlich Spannungsschwankungen detektiert, Diese lassen
auf einen Angriff schließen,
der Manipulationen der Leiterbahn 11 umfasst.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des
Schildes auf dem Substrat. Der Übersichtlichkeit halber
sind in 3 nur zwei Kontaktbereich 71, 75 innerhalb
der Konturlinie 12 sowie eine diese Kontaktbereich 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 11 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 angelegte 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 Zentralbereich 25 hin und her verlaufend die Kontaktbereiche 71 und 75,
von dort zum wird die Leiterbahn 11 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 11 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 11 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 11 innerhalb des Zentralbereichs 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 11 als ersten Leiterstrukturen
innerhalb der Konturlinie 12. Eine dieser Leiterbahnen 11 ist
zwischen zwei Kontaktbereichen 71, 73 hin und
her verlaufend ausgeführt. Über diese
Leiterbahn 11 kann ein Testsignal übertragen werden. Die zweite
Leiterbahn 11 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 mit mehreren Leiterbahnen 11.
Die Leiterbahnen 11 sind mäanderförmig ineinander verschachtelt
beziehungsweise verwoben, sodass in einer Schlaufe einer Leiterbahnen 11,
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 11, 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 11. Dieses Ausführungsbeispiel
zeigt zwei mäanderförmige Leiterbahnen 11,
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 11 hineinreichen.
Die vierte Leiterbahn 21 hat eine kammförmige Struktur mit Verzweigungen,
die in die Schlaufen der Leiterbahnen 11 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 fingerförmig Leiterstruktur
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.
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- 1
- Kartenkörper
- 2
- Kavität
- 3
- Substrat
- 31
- erste
Substratseite
- 32
- zweite
Substratseite
- 4
- Kontaktflächen
- 5
- Chip
- 6
- Chipanschlüsse
- 7
- Leiterstrukturen
- 8
- Bump
- 9
- Durchkontaktierung
- 10
- Klebefläche
- 11,
13
- erste
Leiterstruktur
- 17
- Kleber
- 12
- Konturlinie
- 25
- zentraler
Bereich
- 71,
73, 75, 77, 79, 81, 83, 87
- Kontaktbereiche
- 72,
74
- zweite
Leiterstruktur