电子机读旅行证件专用芯片应用失效分析

刘健康，王永捷（北京中安特科技有限公司，北京 100176，中国）

电子机读旅行证件专用芯片应用失效分析

刘健康，王永捷（北京中安特科技有限公司，北京 100176，中国）

2012年我国启动了机读旅行证件电子化工作，相继开展了护照、港澳通行证、回乡证、台胞证以及大陆证等传统证件的电子化工作，标志着我国在出入境证件应用方面达到了欧美发达国家的先进水平。本文详细介绍了电子机读旅行证件在生产和应用各环节的失效问题，通过技术分析和大量实验，形成了芯片大规模应用失效分析解决方案。通过解决方案的实施，提高了专用芯片产品的一致性和稳定性，为我国电子机读旅行证件大规模应用提供技术保障和服务。

国际民航组织；电子机读旅行证件；失效问题分析；逻辑数据结构

在法定身份证件应用领域，芯片是应用的核心器件，是应用数据的载体，是应用信息安全的基础。我国电子机读旅行证件作为法定证件的重要种类，对芯片的需求量随着我国居民生活水平的提高逐年递增，从每年不到千万，已迅速增长为目前每年数千万，并按照10%左右的速度持续增长。

我国电子机读旅行证件芯片产品从生产到证件发放、应用，需要经过芯片设计、芯片流片、CP测试、模块封装、证卡制作、芯片初始化、证卡个人化和边检查验等环节。每个环节都可能产生相应的问题，导致后续应用芯片失效。在电子机读旅行证件应用中，失效问题可归为芯片存储器失效、模块及证卡制作过程电气连接以及芯片与读卡器的兼容性等问题。如何通过失效问题的分析和解决，提高专用芯片产品的一致性和稳定性，提升专用芯片产品的质量水平，是应用阶段必须解决的问题。

我国电子机读旅行证件分为本式和卡式两种类型，证件生产过程有相似之处，又有区别。本文通过对卡式证件应用过程进行失效问题分析，本式证件失效分析可借鉴相关经验开展。失效分析环节从应用角度涉及证件制作到应用的各个方面。

1卡体生产失效分析

1.1外观检查分析

外观检查分析一般委托第三方专业公司进行，采用目检、X-Ray和金相显微镜（50/100/200/500倍）对失效卡片/模块进行外观检查，拍摄各类照片（如下图1和图2所示），通过照片即可初步查明失效原因，并对后续失效分析过程进行指导。外观检查可形成如表1的数据表，通过数据表分析，可得出外观分析结果。

表1 外观检查的数据

图1 X-Ray光下可见模块及焊点正常，卡片天线中间断开

图2模块在显微镜下的外观

1.2模块分析

如果通过外观检查分析，依然不能看到明确的失效问题点，或者有多个失效分析点，不能最终确认问题，就需要进行模块的开盖分析。该分析过程也需要第三方专业公司使用专用设备进行，部分芯片或模块检测部门也有对应设备，但失效分析过程需要专业技术人员进行。

1.2.1 模块开盖（DECAP）分析

模块开盖分析是在模块开盖后，通过物理特性，对失效原因进行定位和确认。下图3是模块开盖分析的一个实例。

图3 模块Decap后可见芯片一侧边缘有明显裂纹

1.2.2 模块电性能测试分析

对失效模块通过人工配置线圈后，利用读卡器对模块进行14443-3握手指令（2条：ALOHA、ATTRIB）测试分析，查看模块电性能有无响应。电性能测试数据样例见表2。

表2 电性能测试数据

1.2.3 模块开短路和电容测试分析

利用万用表和LRC数字电桥对模块天线间的阻抗和电容特性进行测试，看阻抗和电容是否符合设计值，可从中发现模块是否短路、开路、断裂或者正常。

1.2.4 模块开封后外观检查和阻抗测试分析

将失效模块做化学开封后，在金相显微镜（50/100/200/400倍）下对芯片做外观检查，查看芯片表面及其金丝连接状况。或者使用万用表复查其天线间阻抗是否变化。开封检测数据如表3所示。

表3 开封检测数据

1.3改进建议

针对制卡加工过程中产生的无响应失效的模块/卡片，根据上述分析，建议如下：一是在后续批量生产中加强对模块加工中的外观检查和控制，减少机械应力对模块的损伤；二是在卡片批量生产中协同生产单位加强同卡片加工操作人员的细节沟通与交流，加大在卡片加工的填埋焊、叠张和层压前工序中对外观和模块位置的检查力度，减少模块放置偏位或线头搭到模块本体或其它导致受力不均的问题；三是在模块批量生产中加强模块级的筛选力度，增加询卡次数（由原来1次增加到3次），减少电性能不良的模块流入下一道制卡工序；四是在后续制卡批量生产中继续跟踪和关注有关芯片模块短路失效的状况或比例，并配合进行相关的实验分析和改进措施。

2卡片初始化失效分析

经过制卡过程的“白卡”，需要经过批量电特性质检，筛查出没有电信号的卡片。通过质检的“白卡”证件，进入自动化批量初始化操作，初始化过程是多个读写头同时操作多张证件，分别对每张证件进行相同的文件结构创建、初始化信息写入并进行核验等操作，过程中会对初始化及核验失败的卡片进行踢除，被踢卡片可进行人工修复操作，如人工修复操作失败即为初始化失效卡片。

2.1失效现象

卡片初始化失效现象分为如下四种：一是卡片中芯片仍为初始化状态创建期，可以进行传输密钥替换和配置信息写入等操作；二是卡片中芯片状态为安装期，主文件结构尚未创建完成；三是卡片中芯片状态为安装期，主文件结构已经创建完成，后续文件结构创建或者初始信息写入未完成；四是核验失败。

2.2问题驛位

根据卡片初始化电特性操作，开发初始化问题定位软件，通过读卡器与卡片建立通讯连接，针对不同的失效现象读取卡片关键信息，定位失效问题类型。下面以最复杂且不能修复的第二种失效现象分析为例，说明问题定位过程。其过程如下。

a）首先采用工具软件，发送读芯片序列号指令，如果正常返回序列号明文，说明芯片是初始化状态，失效现象为第一种，否则进入下一步；

b）发送选择主应用DF指令，如果返回9000，说明主文件结构已经创建，失效现象为第三或第四种，否则进入下一步；

c）发送清除MF命令，如果成功，失效现象为第三种，可人工修复；如果失败，确认为第二种。

2.3改进建议

改善初始化设备读卡器的连接连续性，例如调整多头读卡器交叉并行初始化时序，同时通过系统软件，实现读卡器连接断开时的可恢复能力；芯片端可升级对应操作系统机制的更完整修复程序，使得所有状态失效卡均可进行修复。

3个人化制证失效分析

专用芯片在应用验证过程中，个人化制证失效主要表现在设备踢卡率和废证率两个方面，应用前期，相比国外芯片，两项指标都高于国外芯片，经过失效分析和兼容性改进，目前已达到国外在用芯片同等效率。本文以其中一次实验为例，介绍失效分析过程。

3.1失效现象

个人化制证总数为7200张，抛出卡数约35张随后进行了重复个人化操作这一动作160次（这35张卡最终选取最稳定的机台重新个人化操作）。最终有3张卡还是未能个人化成功统计为废卡。抛卡原因数据如表4所示。

表4 个人化制证失效数据

3.2 分析过程

为分析上述失效现象，分别对正常个人化制证的卡片和失效证件流程进行数据抓包分析，可以看出如下流程对比：

◆ 正确时的流程：机具上电-发送REQA-发送REQA-下电 16ms -上电3.6ms-卡片返回ATQB

◆ 失效时的流程：机具上电-发送REQA-发送REQA-下电 16ms -上电3.6ms发送REQB指令-卡片无返回

现场实验情况及结果数据的分析如表5所示。

表5 实验数据

表6 调整后抛卡测试数据

根据实验，确认是因为个人化机具发送的包络信号已超出协议标准要求，导致读卡器发送的信号卡片不能正常解调。个人化设备读卡器与通用读卡器及其标准协议的参数对比如表7所示ISO 14443协议要求如下图4所示，协议对波形的参数要求如图5所示。

表7 个人化读卡器、通用读卡器及标准协议的参数对比

图4 TypeB 调制波形

图5 调制波形时间参数

根据上图标准要求可以看出，卡片应当可以接收的范围是：tf在0/fc和最大值17/fc之间，且tr同时大于0/fc和tf -9/fc，并且同时小于tf+9/ fc和最大值17/fc。

此外，通过上电时间波形，发现上电时间也对失效有部分影响，分析方式与上述过程一致，采用标准符合性方向进行定位并提出解决方案。

3.3 改进建议

更新读卡器固件或更新读卡器电路，确保读卡器发送的包络信号满足协议要求，可参考通用读卡器。更新读卡器固件，修改场强上电后发送的指令时间在5ms以后，可参考通用读卡器。更新读卡器固件，上电以后增加一次TYPEB轮询次数提高询卡成功率。读卡器天线周围的金属档板更换成非金属档板，避免非接能量损失以及射频信号干扰。

4 边检查验失效分析

经过个人化制作的卡片，最终发给持证人使用。持证人在边检查验时不能正常通关，其证件即为失效证件。

4.1 失效现象

边检查验失效证件表现为以下几个方面：一是个人信息无法读取；二是签注信息无法读取；三是无法正常进行签注计数器交易；四是出入境记录无法正常写入。通过应用，发现第三种情况较多，下面以该情况为例进行问题分析和失效原因定位。

4.2 分析过程

边检查验失效证件将由持证人申请、边检人员或发证机关回收，问题证件将经过一定处理后，返回上级机关，此时可以进行问题分析和定位。

首先，通过问题分析软件读失效证件的基本数据进行读取，看是否能正常读取，排除第一种问题，读取结果如下图6、7所示。

图6 个人信息读取正常

图7 签注信息读取正常

第二步，对失效证件问题原因（签注计数器交易）中签注计数器信息进行读取，发现现象可以重现，通过分析卡片与读卡器之间的命令交互，可以看出，签注计数器信息所在文件选择命令时，响应为6A 82，通过查询芯片操作系统手册，可以发现，该文件已不存在。

4.3 改进建议

边检查验失效通过以上诸环节的改进，基本可以降低失效概率，满足应用过程中的成功率要求。

总体上，应对失效问题，芯片需要从扩大芯片设计各关键指标范围、进一步降低芯片功耗以及实现性能及兼容性的平衡等方面逐步提升产品质量，可以更有效降低失效概率。通过对每次的批量应用实验、应用验证以及各批次试点应用的证件失效分析，并逐步落实上述改进建议，逐步提升了生产性能，效果明显。

结束语

随着社会发展和进步，人们出境、出国日益频繁，对出入境证件产品质量和可靠性要求不断提高。一般来说，芯片在研制、生产和使用过程中失效问题不可避免，如何改善甚至解决失效问题，失效分析工作显得尤为重要。通过芯片失效分析，可以帮助设计人员找到设计缺陷、工艺参数的不匹配，可以发现生产制发操作中的相关问题，进一步提高产品的稳定性、安全性和一致性，也可以提升生产制发产线性能。

[1] 王爱英.“智能卡技术-IC卡与RFID标签”，第三版.

[2] 张之津，李胜广，薛艺泽.“智能卡安全与设计”，2008.

[3] ICAO LDS，“LDS-technical report”，V1.7，2004.

[4] ICAO LDS，“LDS-technical report”，V2.0，2015.

[5] ICAO 9303，“MachineReadable Travel Documents”，Sixth Edition，2006.

[6] ISO/IEC 14443-1，2，3，4，“Identification cards — Contactlessintegrated circuit cards —Proximitycards”，Second Edition，2010.

[7] ISO/IEC 10373-6，“Identification cards — Test methods”，2011(E).

[8] ISO/IEC 7816，“Identification cards —Integrated circuitcards”，2006.

[9] ISO/IEC 18013-3，“信息技术—个人身份—ISO兼容驾驶执照访问控制，认证和完整性验证”，2009.

Failure analysis of special chip for electronic travel document

L|U Jiankang,WANG Yongjie
(Beijing Zhong An Te Technologies Co.,Ltd.，Beijing 100176，China)

In 2012, our country started the electronization of machine-readable travel documents, successively carried out the electronization of People's Republic of China Passport, Exit-Entry Permit for Travelling to and from Hong Kong and Macao, Home-Visiting Certificate for Compatriots from Hong Kong and Macao, Mainland Travel Permit for Taiwan Residents Certificate as well as the Exit-Entry Permit for Travelling to and from Taiwan, marked the application entry and exit certificates in China has reached the advanced level of European and American developed countries.

This article detailedly introduced the failure problems of electronic machine-readable travel documents in every link of production and application. Based on technical analyses and a large number of experiments, it formed a large-scale failure model and effect analysis solution of chip.

Through the implementation of the solution, it improved the consistency and stability of the dedicated chip products as well as provided technical supports and services for large-scale application on Chinese electronic machine-readable travel documents .

International Civil Aviation Organization; electronic machine-readable travel documents; failure model and effect analysis; logical data structure