用於防篡改電子模塊的通氣裝置及其製造方法
2023-06-28 06:49:11
專利名稱：用於防篡改電子模塊的通氣裝置及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用於防篡改電子模塊的通氣裝置，具體而言，涉及用於電子通信加密模塊的通氣裝置，該電子通信加密模塊遵從聯邦信息處理標準140-2(Federal Information Processing Standards 140-2，FIPS 140-2)的4級安全要求。
背景技術：
聯邦信息處理標準140-2(FIPS 140-2)是一項描述美國聯邦政府要求IT產品應該滿足敏感但非保密(Sensitive but Unclassified，SBU)使用的標準。該標準由美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards andTechnology，NIST)於2001年5月公布，並且繼承了由NIST於1994年1月公布的聯邦信息處理標準140-1(FIPS 140-1)。加拿大政府的通信安全部(Communication Security Establishment，CSE)已經採納了該標準，並且金融界通過美國國家標準學會(American National Standards Institute，ANSI)有可能也採納它。此技術格外關注日益加劇的對國內外安全的威脅。
該標準定義了在保護IT系統內非保密信息的安全系統中使用的加密模塊所必須滿足的安全要求。共有四種安全等級從1級(最低)到4級(最高)。這些等級基本上覆蓋了可能的使用加密模塊的應用和環境的寬廣範圍。
4級安全提供了標準中所定義的最高安全級。在此安全級，為了檢測和響應所有非授權的物理訪問企圖，物理安全機構提供圍繞加密模塊的完整的保護封套。從任何方向穿透該加密模塊封裝都有極高的可能性被檢測到，這會導致所有被存儲在該模塊中的關鍵安全參數無效。4級安全加密模塊可用於在物理上未受保護的環境中操作。
圖1的橫截面圖中詳細說明了被設計成滿足FIPS 140-2的4級要求的典型的電子通信加密模塊的主要特性。該加密模塊的核心是電路卡3，在電路卡3上安裝有多個提供加密模塊功能的集成電路晶片(未示出)。電路卡3被封裝在銅內盒2中。鉚釘4對齊電路卡3並且將內盒的蓋支撐在適當的位置。內盒2被包裹在篡改感測電阻網5中。為確保完全覆蓋，篡改感測電阻網5的邊緣在內盒2的部分7上重疊。被包裹在網5中的內盒2被用聚氨酯6密封起來，並且被密封的組件被放置在銅外盒1中。整個外殼是氣密的。
圖2示出了內盒2外部的進一步的細節。窗口12是為柔性電纜提供的開口，柔性電纜將電路卡3連接至PCI印刷電路組件或者類似的接口。窗口22是將篡改感測網5連接至電路卡3的開口。
圖3a示出了處於如下階段的加密模塊柔性電纜31被連接至電路板3，並且網5正處於圍著內盒2被包裹的過程中。如上所注，柔性電纜31通過窗口12將電路卡3連接至PCI印刷電路組件或者類似的接口。網電纜15通過窗口22將篡改感測電阻網5連接至電路卡3。圖3b進一步詳細說明了此連接。通過此連接，當試圖訪問通信加密模塊時，電路板3能夠感測到。如果篡改感測電阻網5被破壞，那麼電路卡3上的硬體被編程使模塊內的所有加密技術無效。
當暴露於包括溫度循環的可靠性測試條件時，以及當在高溫應用中使用時，圖1至3中示出的氣密密封的組件會出現失效。圖4a至4e示出了導致網損壞和失效的事件序列。當圖4a中溫度升高超過室溫時，密封網5上集聚的空氣8的壓力依照理想氣體定律增加。如圖4b所示，這引起網在窗口22附近隆起，其中網是通過窗口22進入內盒2的。如圖4c所示，氣壓和聚氨酯在受限空間內膨脹，引起銅外盒1變形。如圖4d所示，盒變形使得網5的主體層和重疊層之間分離。此時或者如圖4e所示當盒變形足夠大以致網-網分離達到網-聚氨酯接口時，網5就會失效。
人們已經考慮過使用通氣孔來釋放通信加密模塊中的內部氣壓，但是擔心即使一個小的通氣孔也會使得能夠訪問外殼內部，從而違反FIPS 140-2的4級要求。此外，人們認為製造一個具有這種通氣孔的篡改感測電阻網將由於封裝保護的裂口致使在遵從FIPS的獨立性測試中失敗。
發明內容
因此，本發明的一個主要目的是提供一種用於防篡改電子模塊的通氣裝置。
本發明的另一個目的是提供一種解決上述問題的用於防篡改電子模塊的通氣裝置。
本發明的這些和其它的目的由本文所公開的用於防篡改電子模塊的通氣裝置所實現。
在本發明的一個示例性方面中，一種設計成滿足FIPS 140-2等級4安全要求的用於電子電路的防篡改封裝包括一內盒，用於封裝電子電路；一篡改感測網，其包裹在所述內盒周圍，使得所述篡改感測網的邊緣在所述內盒的一部分上形成重疊的層；一外盒，其封裝所述內盒和篡改感測網；以及一通氣裝置，其形成從所述內盒的內部通向所述外盒的外部的一通氣通道，該通氣通道在所述篡改感測網的重疊的層之間穿過，並且沿其長度具有至少一個直角彎曲。所述內盒和外盒是金屬的，並且優選由銅製成。此外，優選由聚氨酯材料構成的密封劑填充在所述內盒盒外盒之間的空間中。
在本發明的另一個方面中，一種通氣裝置包括沿其長度被層壓在一起的兩個薄形材料的條帶；以及一段紗，所述紗被夾在薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸到條帶的另一端，從而形成一通氣通道。在一個優選實施例中，所述條帶由覆蓋層材料構成，而所述紗是羊毛紗。該通氣裝置還可以包括一薄形材料的第三條帶，其置於所述第一薄形條帶和第二薄形條帶之間，該第三薄形條帶沿其長度具有一個或者多個孔，所述的一段紗在其從通氣裝置的一端穿向另一端的過程中被編織穿過這些孔。
在本發明的另一個方面中，一種製造這種通氣裝置的方法包括以下步驟在層壓壓力機中放置一夾層結構，該夾層結構包括各自有著一層熱激活粘結劑的兩個覆蓋層材料的條帶；以及一段羊毛紗，所述羊毛紗置於所述兩個薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸至條帶的另外一端，從而形成一通氣通道；以及在升高的溫度盒壓力下將所述兩個條帶以及它們之間的所述紗層壓一預定時間。對於優選實施例，所述層壓處理在大約300°F的溫度和大約75PSI的壓力下進行大約45分鐘。該方面還可以包括在所述層壓步驟前，在所述夾層結構的兩側上層疊海綿狀橡膠，以及在所述層壓壓力機中採用具有界定出所述通氣通道的凹槽的壓筒。為了製造本發明的其中通氣通道沿之字形路徑的實施例，所述方法優選包括以下步驟在所述兩個覆蓋層材料的條帶中形成匹配的孔，並且將銷釘插入所述匹配的孔，從而沿著所述條帶的一端和條帶的另外一端之間的之字形路徑引導被置於所述兩個條帶之間的所述的一段紗。
圖1是被設計成滿足FIPS 140-2的4級要求的一典型電子通信加密模塊的簡化的橫截面圖。
圖2是示出圖1的加密模塊的內盒的外部細節的透視圖。
圖3a是示出被包裹在篡改感測電阻網內的加密模塊的內盒的透視圖。
圖3b是示出篡改感測電阻網與位於加密模塊的內盒中的電路卡的連接的簡化橫截面圖。
圖4a至4e是一系列詳細說明由於加密模塊的內盒中所集聚的空氣所導致的在升高的溫度下篡改感測電阻網失效的機理的簡化橫截面圖。
圖5是詳細說明根據本發明的通氣裝置的放置的電子通信加密模塊的橫截面圖。
圖6a和6b示出了根據本發明的用於電子通信加密模塊的通氣裝置的第一圖7a和7b示出了根據本發明的用於電子通信加密模塊的通氣裝置的第二圖8a和8b示出了根據本發明的用於電子通信加密模塊的通氣裝置的第三圖9a、9b和9c示出了根據本發明的用於電子通信加密模塊的通氣裝置的第四實施例。
圖10是示出具有不同的通氣程度的密封的加密模塊的內部溫度和壓力與時間關係的表。
具體實施例方式
現在將參考附圖中示出的實施例，通過例子來更為詳細地描述本發明。應該牢記以下描述的實施例僅以示例方式出現，而不應視為將本發明概念限制於任何特殊的物理結構。
此外，如果被用到並且除非特別註明以外，術語「上面的」、「下面的」、「前面的」、「後面的」、「在...之上的」、「在...之下的」以及類似這樣的術語不應視為將本發明限制於特殊定向。相反，這些術語僅在一相對基準上被使用。
本發明針對適合用於防篡改電子模塊的通氣裝置，該防篡改電子模塊必須滿足用於通信加密設備的FIPS 140-2標準。如上所述，防篡改加密模塊一般由帶有若干集成電路器件的電路卡構成，並且被安裝在具有用於柔性電纜的開口的內部金屬盒中。柔性電纜用於將卡連接至PCI印刷電路組件或者其它合適的接口。為使該卡能夠防篡改，圍繞內部容器包裹電阻網形式的電子屏蔽件。內部容器被封閉在一外部金屬容器中，用規定的聚氨酯密封劑填充它們之間的空間。為了固化聚氨酯，按照一特定的溫度分布將整個組件加熱至80℃。在此製作操作期間，集聚在內盒中的空氣無法逃出。在卡的工作期間，由集聚的空氣形成的壓力足夠高以致引起內盒中柔性電纜開口上方的電子屏蔽切變層離並失效。
圖5示例性地示出了一通氣裝置如何能夠以一種遵從FIPS 140-2的4級標準的方式被添加至圖1的通信加密模塊。通氣裝置10通過內盒2中的開口，該處有著篡改感測網5的重疊層5a、5b。通氣裝置10在內層5a和外層5b之間通過，內層5a與內盒2接觸，外層5b包裹在通氣裝置上。FIPS 140-2的4級要求標準通氣管在封裝的內部和外部之間至少具有一個90°彎曲，為了遵從此要求，在示出的例子中，在通氣裝置離開內盒處有一個90°彎曲。
圖6a至6b示出沒有採用運動部件的通氣裝置的第一實施例的側視圖和俯視圖。在此實施例中，通氣孔由形成在兩個薄形材料的條帶61、62之間的通道構成，其中兩個條帶61、62沿它們的長度被層壓在一起。通氣通道本身由被夾在薄形條帶61、62之間的一段紗63所界定。
在此實施例中，薄形條帶由覆蓋層(coverlay)材料製成，一般覆蓋層材料為聚醯亞胺或者聚酯材料，它們通常用作薄膜被施加於柔性印刷電路以保護和隔離銅導線。也可以用其它具有類似性能的材料來替代。
紗起到「半固體」的作用，從而在允許氣體流通以便均衡內盒內部的壓力與外盒外部的壓力的同時，防止訪問模塊內部。在此實施例中，紗由兩段四股羊毛紗擰在一起構成。也可以用諸如玻璃紗之類的其它類型的紗來替代。
為製造本實施例中示出的通氣裝置，兩個覆蓋層材料條帶(每個條帶厚0.001英寸並帶有一層0.001英寸的熱激活粘合劑)在一標準柔性電路層壓壓力機中在大致300°F和70PSI下被層壓在一起近45分鐘。由於熱激活粘合劑，紗粘附至覆蓋層。在層壓過程中，海綿狀橡膠或者類似的材料被鋪在覆蓋層夾層結構的兩側，以便不會壓碎形成通氣通道的紗。為幫助通氣孔定形，壓力機的壓筒能夠被製造成帶有用於紗的通道。
如圖5所示，根據第一實施例的通氣裝置通過一開口被插入到內盒2中，並且從篡改感測網5的重疊層之間通過，並穿過內外盒之間的聚氨酯6。壓力敏感粘合劑被用於將通氣裝置粘接至網的第一層。使用中，可觀察到在空氣開始流通通過通氣裝置間之前，在內盒的內部和外盒的外部之間必定存在0至0.1大氣壓之間的壓力差。此閾值效果歸因於固化的氨酯泡沫施加在通氣裝置側面的壓力。
圖7a至7b的側視圖和俯視圖中詳細示出了通氣裝置的第二實施例。在此可選實施例中，另一層薄形材料71，例如0.001英寸厚的聚醯亞胺層，被放置在覆蓋層/紗的夾層結構的中間。在聚醯亞胺層上鑽取一孔72，並且使紗穿過該孔，從聚醯亞胺的一側穿到另外一側。通過從聚醯亞胺的一側穿到另外一側，在通氣通道中形成兩個90°彎曲。這符合在封裝的內部和外部之間至少具有一個90°彎曲的FIPS 140-2的4級要求。
圖8a至8b的側視圖和俯視圖中示出了第三實施例，其中也使用了第三層薄形材料81。然而，在此情況下，在第三層並排鑽取兩個孔82、83，並且紗被編織成首先通過一個孔，然後返回通過另外一個孔，從而在同側露出。這種方式下，形成六個90°彎曲。利用在覆蓋層材料的第三層的不同布置的孔可以得到第三實施例的其它可選的方案。
此外，在不使用第三層形成布置的情況下，可以以之字形布置形成具有任意數目的90°彎曲的紗通氣通道。圖9a至9c分別示出了第四實施例的側視、俯視和透視圖，其中在覆蓋層條帶93、94上形成小孔91、92，並將銷釘(未示出)插入到孔中，用作使得紗料改變方向的引導件。一旦形成通氣裝置，就去除銷釘並且用諸如薄丙烯酸酯標籤材料之類(未示出)將孔封上，從而防止空氣洩漏出去。
在上述實施例的通氣裝置中，覆蓋層粘合劑不僅將封裝固定在一起，而且也起到將紗保持在原位的作用，使得紗不會被推離其位置。由於紗內的許多層纖維，所以粘合劑還起到將紗保持在一起成為一個整體的作用。覆蓋層本身易碎，並且任何沿著通氣通道通過紗的嘗試都將損壞覆蓋層。當覆蓋層被破壞，它直接導致篡改感測電阻網的損壞。如果篡改感測電阻網被損壞，那麼封裝內部的電路會編程以使模塊內的所有加密技術無效。可以圍著通氣通道將易碎篡改電路添加至覆蓋層本身，這同樣可以由模塊監測，以檢測任何訪問加密技術的嘗試。或者，可以將通氣孔形成為圖3所示柔性電纜31的構成整體所需的一部分。
如圖5中所能看到的，通氣裝置在網中有一個主要的90°彎曲。圖7至9示出如何能夠根據需要添加其它的90°彎曲使得對封裝的訪問更困難。為了實現最佳功能，應該在篡改感測電阻網的層之間形成這些額外的90°彎曲。通過位於網的層之間，這些90°彎曲提高了防篡改等級和模塊的篡改檢測。如果需要，可以在模塊上添加多個通氣孔，或者可以在一個通氣裝置中製造多個通道。
因為通氣通道的空氣阻力的緣故，通氣過程需要一段時間。最佳通氣時間或者遠小於或者略大於模塊暴露的熱循環周期的四分之一。如圖10所示，最壞情況發生在通氣時間等於循環時間的四分之一的時候。這在高溫下產生較高的峰值壓力，而在低溫下產生較低的低壓。因此，需要優化通氣時間以避免這種情況。
應該理解本發明不必限於以上所示和描述的具體處理、布置、材料和組件，在本發明的範圍內可以形成各種變形。例如，儘管本發明的上述示例性的方面尤其適合於防篡改通信加密模塊，但是可以預見只要需要為任何防篡改電子組件通氣時，都可以應用本發明的概念。
對於本領域的技術人員，在結合附圖對優選實施例的以上描述中已經充分公開了製造和使用所要求保護的發明的方法。
應該理解，對本發明優選實施例的上述內容可以做出各種修改、變化和變形，而這些應包括在所附權利要求的含義和等同範圍之內。
權利要求
1.一種用於電子電路的防篡改封裝，其包括一內盒，用於封裝電子電路；一篡改感測網，其包裹在所述內盒周圍，使得所述篡改感測網的邊緣在所述內盒的一部分上形成重疊的層；一外盒，其封裝所述內盒和篡改感測網；以及一通氣裝置，其形成從所述內盒的內部通向所述外盒的外部的一通氣通道，該通氣通道在所述篡改感測網的重疊的層之間穿過，並且沿其長度具有至少一個直角彎曲。
2.如權利要求1所述的防篡改封裝，其中，還包括填充所述內盒和外盒之間空間的密封劑。
3.如權利要求2所述的防篡改封裝，其中，所述密封劑由聚氨酯材料構成。
4.如權利要求1所述的防篡改封裝，其中，所述內盒和外盒是金屬的。
5.如權利要求4所述的防篡改封裝，其中，所述內盒和外盒中至少一個是由銅製成的。
6.如權利要求1所述的防篡改封裝，其中，該通氣裝置包括沿其長度被層壓在一起的兩個薄形材料的條帶；以及一段紗，所述紗被夾在所述薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸到條帶的另一端，從而形成所述通氣通道。
7.如權利要求6所述的防篡改封裝，其中，所述薄形條帶由一覆蓋層材料構成。
8.如權利要求6所述的防篡改封裝，其中，所述紗是羊毛紗。
9.一種用於防篡改封裝的通氣裝置，其包括沿其長度被層壓在一起的兩個薄形材料的條帶；以及一段紗，所述紗被夾在薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸到條帶的另一端，從而形成一通氣通道。
10.如權利要求9所述的通氣裝置，其中，所述兩個薄形條帶由一覆蓋層材料構成。
11.如權利要求10所述的通氣裝置，其中，所述覆蓋層材料由聚醯亞胺構成。
12.如權利要求9所述的通氣裝置，其中，所述紗是羊毛紗。
13.如權利要求9所述的通氣裝置，其中，所述兩個薄形材料的條帶為第一薄形條帶和第二薄形條帶，並且所述通氣裝置還包括一薄形材料的第三條帶，其置於所述第一薄形條帶和第二薄形條帶之間，該第三薄形條帶沿其長度具有一個或者多個孔，所述的一段紗被編織穿過這些孔。
14.如權利要求9所述的通氣裝置，其中，所述的一段紗沿著所述條帶的一端和該條帶的另一端之間的之字形路徑。
15.如權利要求14所述的通氣裝置，其中，所述之字形路徑包括至少一個直角彎曲。
16.一種製造用於防篡改封裝的通氣裝置的方法，其包括在層壓壓力機中放置一夾層結構，該夾層結構包括各自有著一層熱激活粘結劑的兩個覆蓋層材料的條帶；以及一段羊毛紗，所述羊毛紗置於所述兩個薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸至條帶的另外一端，從而形成一通氣通道；以及在升高的溫度和壓力下將所述兩個條帶以及它們之間的所述紗層壓一預定時間。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述對兩個條帶以及它們之間的紗的層壓在大約300°F的溫度和大約75 PSI的壓力下進行了大約45分鐘。
18.如權利要求16所述的方法，其中，還包括在所述層壓步驟前，在所述夾層結構的兩側上層疊海綿狀橡膠。
19.如權利要求16所述的方法，其中，還包括在所述層壓壓力機中採用具有界定出所述通氣通道的凹槽的壓筒。
20.如權利要求16所述的方法，其中，還包括在所述兩個覆蓋層材料的條帶中形成匹配的孔，並且將銷釘插入所述匹配的孔，從而沿著所述條帶的一端和條帶的另外一端之間的之字形路徑引導被置於所述兩個條帶之間的所述的一段紗。
全文摘要
一種用於電子電路的防篡改封裝包括一內銅盒；包裹在內盒周圍的一篡改感測網；一封裝內盒和篡改感測網的外銅盒；以及形成從內盒內部通向外盒外部的一通氣通道的一通氣裝置，該通氣通道在所述篡改感測網的重疊的層之間穿過，並且沿其長度具有至少一個直角彎曲。該通氣裝置包括沿其長度被層壓在一起的兩個薄形聚醯胺覆蓋層材料的條帶；以及一段羊毛紗，所述羊毛紗夾在兩個薄形條帶之間並且從條帶的一端延伸到條帶的另一端，從而形成通氣通道。這段紗沿著第一和第二條帶之間的一之字形路徑，該之字形路徑包括至少一個直角彎曲。
文檔編號H01L21/50GK1790358SQ20051012013
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月4日 優先權日2004年11月4日
發明者菲利普·D·艾薩克斯, 約翰·R·丹格勒, 阿文德·K·西哈 申請人:國際商業機器公司