Fälschung von Bauelementen: An der Schwelle zu einer Zukunft ohne Fälschungen?

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(Bildquelle: Gorodenkoff/Stock.adobe.com)

Von Murray Slovick für TTI, Inc.

Veröffentlicht am 9. Februar 2023

Trotz aller Hightech-Fortschritte ist die Halbleiterindustrie extrem anfällig für Fälschungen. Diese stellen ein geschätztes Risiko von 200 Milliarden Dollar pro Jahr für die weltweite Elektronik-Lieferkette dar. Durch den weltweiten Chipmangel wird dieses Risiko noch größer. Ein Mangel an Bauelementen drängt Käufer auf den Graumarkt und unterstreicht die Bedeutung einer Kennzeichnung, mit der sich der rechtmäßige Besitz eines Bauelements nachweisen lässt. Hinzu kommt, dass der Handel mit gefälschten und raubkopierten Waren seit Beginn der COVID-Pandemie stetig zugenommen hat, wobei die Mikroelektronik einer der Bereiche mit steigender Tendenz ist.

Die Zeiten, in denen ein gefälschtes Bauelement leicht zu erkennen war, sind vorbei. Bauelemente können heute präzise geklont werden, und es ist schwierig, sie vom Original zu unterscheiden. Trotz zahlreicher Techniken zur Vermeidung von Fälschungen, wie z. B. RFID-Etiketten und Hologramme, können Halbleiter kopiert werden. Daher müssen dringend neue Ansätze entwickelt und die aktuellen Technologien verbessert werden.

Im Folgenden stellen wir einige der sogenannten „unangreifbaren“ Methoden zur Authentifizierung von Produkten vor, die Fälschungen erheblich erschweren sollen.

Physisch nicht klonbare Funktionen und Quantenpunkte

Aufgrund zufälliger, unkontrollierbarer mikroskopischer Unvollkommenheiten im molekularen Aufbau des zur Herstellung des Chips verwendeten Materials ist jeder Chip einzigartig. Diese Einzigartigkeit kann zum Nachweis der Echtheit verwendet werden. Physikalisch nicht klonbare Funktionen (Physically unclonable functions, PUFs) machen sich diese natürlichen zufälligen Abweichungen zunutze. Ein PUF ist ein Bauelement mit einzigartigen und nicht wiederholbaren physikalischen Eigenschaften, die in verwertbare Bits umgewandelt werden können. PUFs, die zufällige physikalische Eigenschaften zur Authentifizierung nutzen, bieten Vorteile gegenüber bestehenden optischen Lösungen, wie z. B. Hologrammen, da ihre Herstellung und Reproduktionskomplexität inhärent asymmetrisch sind. Die Authentifizierung auf der Grundlage von PUFs beruht auf einem Chip, der durch inhärent zufällige Prozesse hergestellt wird, die ein Klonen nahezu unmöglich machen. Da das PUF-System schwer zu kopieren ist, kann diese Methode ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten und eignet sich somit gut für Applikationen zur Fälschungsbekämpfung.

Quantenpunkte (Quantum Dots, QDs) sind Halbleiter-Nanopartikel, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei der Photolumineszenz in einem großen Bereich von abstimmbaren Farben auszeichnen und damit einzigartige optische Eigenschaften verleihen. Sicherheitsmerkmale aufgrund von QDs sind daher von Natur aus sehr schwer zu reproduzieren und können zur Bekämpfung von Fälschungen eingesetzt werden. Ein zufällig aufgebrachtes Array von Quantenpunkten kann in ein transparentes Polymer eingekapselt werden und so ein Etikett bilden. Quantencomputer nutzen Licht statt elektrischer Ladungen zur Speicherung und Übertragung von Informationen. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik kann sich ein einzelnes Photon an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig aufhalten. So kann ein einzelnes Photon als Quantenbit fungieren, das viel mehr Informationen trägt als ein binäres Bit, das auf den Wert 0 oder 1 beschränkt ist.

So haben beispielsweise das in New Mexico (USA) ansässige Nanotechnologieunternehmen Ubiquitous Quantum Dots (UbiQD) und SICPA SA, ein auf Sicherheitstinten spezialisiertes Schweizer Technologieunternehmen, ihre Partnerschaft bei der Entwicklung von fälschungssicheren Sicherheitstinten mithilfe der Quantenpunkttechnologie von UbiQD erweitert. Im Rahmen dieser Partnerschaft werden modernste optische und maschinenlesbare Merkmale in Gestalt einer ganzen Palette von Sicherheitstinten entwickelt.

Gleichzeitig haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) gemeinsam mit ihren Kollegen Mikrochip-Quantenpunkte mit Miniatur-Wellenleitern (Schaltungen, die das Licht leiten können) ohne nennenswerte Intensitätsverluste verbunden. Die Hybridschaltung besteht aus zwei Bauelementen, von denen jedes zunächst auf einem separaten Chip aufgebaut ist. Das erste ist ein Galliumarsenid-Halbleiterelement, das am NIST entwickelt und hergestellt wurde. Es enthält die Quantenpunkte und leitet die einzelnen Photonen, die sie erzeugen, direkt in ein zweites Bauelement, einen verlustarmen Siliziumnitrid-Wellenleiter, der an der University of California, Santa Barbara (UCSB) entwickelt wurde.

Zu den Wissenschaftlern gehören Forscher der University of California, Santa Barbara (UCSB), des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Korea Institute of Science and Technology und der Universität von São Paulo in Brasilien, die ihre Ergebnisse am 11. Dezember in Nature Communications veröffentlichten.

Das aus der Universität Lancaster ausgegründete Unternehmen Quantum Base Ltd. hat eine Reihe von Bauelementen mit Quantensicherheit im Nanobereich erfunden, entwickelt und patentiert, die auf der Entwicklung optischer (OPUF) und elektronischer (EPUF) Versionen sowie eines einfachen Quantenzufallszahlengenerators (Q-RAND) beruhen. Mit den beiden anderen Produkten, Q-ID Electronic und Q-ID Optical, ist es möglich, Nutzer zu authentifizieren, gefälschte Bauelemente zu kennzeichnen, Ausweiskarten zu authentifizieren, Pharmazeutika zu überprüfen und andere Applikationen zu realisieren.

AS6081

Der Standard AS6081 wurde als Antwort auf die erheblichen und weiter zunehmenden Mengen an betrügerischen/gefälschten Elektronikteilen geschaffen, die in die Lieferkette der Luft- und Raumfahrt gelangen und erhebliche Risiken in Bezug auf die Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit mit sich bringen. Der Standard AS6081 legt Anforderungen und Verfahren fest, um das Risiko des Kaufs, des Empfangs und des Verkaufs von gefälschten Bauelementen zu mindern und so den Kunden Vertrauen in ihre eigene Lieferkette zu geben. AS6081 ist ein grundlegender Standard im Programm des ANAB (ANSI National Accreditation Board). ANAB ist eine Nichtregierungsorganisation, die Akkreditierungen und Schulungen für Organisationen des öffentlichen und privaten Sektors anbietet und den internationalen Markt bedient.

Unternehmen wie das in Albuquerque ansässige Start-up-Unternehmen Chiplytics haben es sich zum Ziel gesetzt, die Anforderungen des Standards AS6081 zur Vermeidung von Fälschungen in Bezug auf die externe Sichtprüfung und die elektrische Prüfung zu automatisieren und versprechen schnellere Durchlaufzeiten und datengestützte Bewertungen. Die proprietäre Technologie von Chiplytics, das System Chiplytics One, überprüft jeden Chip, der in kritische Systeme eingebaut wird, um Fälschungen zu erkennen und die Sicherheit und Compliance von Halbleitern weltweit zu gewährleisten, sodass der weltweite Geschäftsverkehr und Handel sicher funktionieren kann.

Hierzu kommt ein automatisiertes Produkt zur Qualitätssicherung von Halbleitern zum Einsatz, das sowohl eine eindeutige elektrische Signatur als auch ein Bild jedes Chips erfasst und eine Analyse durchführt, um festzustellen, ob ein Chip sowohl echt als auch fehlerfrei ist. Es ist auch die erste Plattform, die elektrische und optische Prüfungen kombiniert und Datensätze zur Erkennung von kleinen Abweichungen erstellt, um Klone, Fälschungen oder beschädigte Chips zu identifizieren. Das Unternehmen plant, diese Datensätze und die firmeneigene Software zu nutzen, um Unternehmen bei der Beschaffung und Prüfung von Chips zu unterstützen, bevor diese in Systeme eingebaut werden, die eine hohe Zuverlässigkeit verlangen. Dadurch sollen kostspielige Rückrufaktionen vermieden und Vertrauen aufgebaut werden. Chiplytics führt die Prüfung nicht-invasiv durch und erkennt Abweichungen mithilfe von Machine Learning. Das Produkt nutzt die Power Spectrum Analysis (PSA), um die Homogenität umfassend zu evaluieren und Ausreißer zu identifizieren. Die Datenerfassung erfolgt innerhalb von Millisekunden bei minimalem Einrichtungsaufwand, wodurch eine größere Erfassung und ein größerer Durchsatz möglich sind.

Terahertz-Strahlung, deren Wellenlänge zwischen der Wellenlänge von Mikrowellen und sichtbarem Licht liegt, ist für nichtleitende Materialien, die häufig für die Verkapselung von Bauelementen wie Halbleiterchips verwendet werden, transparent. Forscher der koreanischen Ajou-Universität und der Panoptics Corp. machten sich diese Tatsache zunutze und entwickelten ein schnelles 3D-Bildgebungstool für die Prüfung von verpackten Halbleiterchips mithilfe der Terahertz-Spektroskopie (THz). Durch die Verwendung von Phaseninformationen ist das Unternehmen in der Lage, Defekte im Gehäuse des Chips zu erkennen und zu identifizieren.

Künstliche Intelligenz (KI)

Die größte Herausforderung bei gefälschter Elektronik besteht darin, sie zu finden. Das israelische Start-up-Unternehmen Cybord hat dafür eine reine Software-Lösung entwickelt, bei der die bereits vorhandene Hardware verwendet wird, um Bilder der verwendeten Bauelemente von oben und unten zu erfassen. Diese Bilder werden von einer KI-Software anhand einer umfangreichen Datenbank analysiert, sodass das Unternehmen erkennen kann, ob ein Bauelement gefälscht, beschädigt, korrodiert, falsch markiert ist oder eine andere Anomalie aufweist. Selbst wenn es perfekt ist, zeichnet das Unternehmen auf, wo jedes Teil platziert wird und in welcher Leiterplatte oder welchem Produkt es landet, und prüft während der Produktmontage auf gefälschte Teile.

Die Software-Lösungen von Cybord überwachen die Platzierung auf der SMT-Leiterplatte in Echtzeit und eliminieren die Verwendung nicht konformer elektronischer Bauelemente bei der Produktmontage. Gleichzeitig bietet Cybord den OEMs Transparenz und Rückverfolgbarkeit. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz und Big Data werden Fehler an Bauelementen während der Bestückung und vor dem Reflow beseitigt, was die Nacharbeit vereinfacht und die Zuverlässigkeit der Produkte erhöht.

Die künstliche Intelligenz ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass sie diese gefälschten Teile identifizieren kann. Die Bildsoftware von Cybord prüft die Echtheit jedes Bauelements anhand seiner Abmessungen, des Datumscodes, des Chargencodes und der Charge. Die Herausforderung besteht natürlich darin, genügend Daten zu finden. Cybord behauptet, in seiner Datenbank Daten für Milliarden von elektronischen Bauelementen gesammelt zu haben und analysiert monatlich etwa 250 Millionen Stück.

Für die in Beiträgen genannten Tatsachen und Meinungen sind allein die Verfasser verantwortlich. Sie spiegeln nicht die Meinung der Führungskräfte oder Vertreter von TTI, Inc. oder der TTI Family of Specialists wider.