可重构MEMS开关可防止芯片封装基板布线被逆向工程破解
2026-11-14 09:15:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

借助X射线断层扫描或声学显微镜，我们无需拆开封装，就能看清其内部结构——无论是焊球、铜/金走线，还是埋藏在其中的各层结构，都尽收眼底。这是一项令人满足的“侦探”工作。这其实也正是逆向分析工程师常常所做的事情。

如今的封装技术早已不再是“塑料外壳包裹单枚芯片”那么简单。处理器、存储器和电源芯片往往由不同国家的厂商制造，被并排放置在同一个基板上，并通过比发丝还要细的铜导线相互连接。任何能够解析这些线路布局的人，都能洞悉该系统的构建方式。他们可以对其进行克隆、制造仿冒品，甚至在其中植入恶意修改。而用于此类解析的工具，只要有足够的预算，任何人都能买到。

这一问题正变得愈发严峻。人工智能（AI）加速器、国防电子设备以及关键基础设施，所依赖的封装组件在最终安装前，往往要经过多方之手（包括设计方、代工厂、封装厂、测试实验室和分销商）。每一次交接，都可能成为他人窥探、复制或篡改的机会。目前，大多数硬件安全研究都聚焦于芯片本身，而作为芯片封装连接载体的基板却鲜受关注——尽管基板上的线路布局实际上就是整个系统的“蓝图”。

当然，设计者也采取了一些防御手段，例如设置曲折的走线、虚假的连接，或是通往虚无之处的“伪通孔”。但这些手段都有一个共同的弱点：它们在制造阶段就已经固定了。一旦攻击者破解了其中一块电路板上的布局，那么该型号的所有电路板也就随之被彻底“破解”了。

但是，如果封装基板的电路布线本身能够发生改变，那会怎样呢？

答案就是“SUBSTRATE-CLOAK”——这是今年IEEE电子元件与技术大会上提出的一种全新框架。研究人员没有采用“添加独立安全芯片”的做法（因为攻击者早已学会了如何搜寻这类芯片），而是将保护机制直接构建在封装基板之中。

SUBSTRATE-CLOAK工具链：该工具接收原始网表，并输出经过混淆处理的网表。其处理过程包含四个步骤：读取电路板的电路布局；评估MEMS开关的潜在放置位置；确定最终放置位置；输出已插入MEMS组件的修改后设计。

据麦姆斯咨询介绍，MEMS开关，即能够进行物理开合的微型机械触点，被置于封装基板的互连结构中，从而实现按需重新路由关键连接。若拥有正确的密钥，开关便会闭合，构成预期的电路；若没有密钥，攻击者即便通过成像手段观察到布线情况，也无法分辨哪些路径才是真实的。

想象一座城市，其中一些路口设有闸门，仅允许持有当日通行代码的居民通过。虽然任何人都可以从高空拍摄这些道路，但仅凭照片无法判断哪些路径是真正连通的。这正是“SUBSTRATE-CLOAK”技术背后的核心理念。

上图：2.5D封装与3D封装对比。下图：从左至右依次为：嵌入封装基板中的MEMS模块，其内部线路连接着组件A、B、C和D；MEMS模块内开关阵列的特写；单个MEMS开关的剖面图——通过电极将悬臂梁向下拉，使其接触金属部分与信号线相连。

系统上电时，微控制器会首先验证制造过程中写入的数字证书，以确认硬件为正品且在运输途中未被篡改。随后，它会从基于“硬件信任根”的受保护存储区中提取密钥。封装基板中的MEMS模块会对该密钥进行校验；若密钥有效，系统便会将其解码为特定的开关配置——例如将组件A与组件D相连，同时保持其他“诱饵”路径处于断开状态。由于电路路由由密钥而非固定的铜线决定，因此不同电路板之间的路由方式可以各不相同，并且后续还能进行调整。在我们的设计中，这些MEMS开关阵列还被置于致密的屏蔽层之下，旨在干扰X射线成像。

这种“谜题”的复杂程度会迅速增加。以一个小型MEMS交叉阵列（即每个交叉点均可实现连接、转向或断开的网格）为例，在最简单的形式下，它就有120种可能的配置；若允许灵活路由，配置数量可超过3000种。对于规模更大的网格，其配置组合更是高达数百万甚至数十亿种。在我们分析的一个包含四个组件的案例中，可能的布线方式多达2的119次方种，这远远超出了攻击者通过暴力破解所能尝试的极限。

为了使该技术具备实用价值，电路板设计人员必须能够在无需推倒重来的前提下将其应用到现有设计中。因此，研究人员将SUBSTRATE-CLOAK构建为一套软件工具链，能够直接处理标准的设计文件。该系统读取电路板的网表（netlist），根据连接的安全敏感度进行排序，并通过综合考量各组件的关键程度、新增走线长度以及电路板各区域的拥挤程度，来确定MEMS开关的放置位置。随后，它会在电路板中插入这些MEMS开关，同时保持其余设计部分不变。研究人员在KiCad电路板设计上进行了验证，确认修改后的设计能够通过标准的“设计规则检查（DRC）”。

最令研究人员兴奋的是思维方式的转变。几十年来，封装工程师一直将封装基板视为一种“被动管道”，其唯一职责就是连接A点与B点。而SUBSTRATE-CLOAK则将其视为一道主动的防线。电路板本身变成了一把“锁”；由于这把锁的“钥匙”（密钥/配置）可以重置，即便电路板丢失、被盗或被转售，他人也无法仅仅通过查看其内部结构就获取其设计信息。

研究人员表示，他之所以开展这项研究工作，是因为在失效分析实验室中，我亲眼目睹了封装结构是多么轻易地就会“泄露”其内部机密。我希望未来的封装技术能够真正守护好这些机密。

延伸阅读：

《印制电路板（PCB）产业现状-2026版》