電子機讀旅行證件專用芯片應用失效分析

劉健康，王永捷（北京中安特科技有限公司，北京 100176，中國）

電子機讀旅行證件專用芯片應用失效分析

劉健康，王永捷（北京中安特科技有限公司，北京 100176，中國）

2012年我國啟動了機讀旅行證件電子化工作，相繼開展了護照、港澳通行證、回鄉證、臺胞證以及大陸證等傳統證件的電子化工作，標志著我國在出入境證件應用方面達到了歐美發達國家的先進水平。本文詳細介紹了電子機讀旅行證件在生產和應用各環節的失效問題，通過技術分析和大量實驗，形成了芯片大規模應用失效分析解決方案。通過解決方案的實施，提高了專用芯片產品的一致性和穩定性，為我國電子機讀旅行證件大規模應用提供技術保障和服務。

國際民航組織；電子機讀旅行證件；失效問題分析；邏輯數據結構

在法定身份證件應用領域，芯片是應用的核心器件，是應用數據的載體，是應用信息安全的基礎。我國電子機讀旅行證件作為法定證件的重要種類，對芯片的需求量隨著我國居民生活水平的提高逐年遞增，從每年不到千萬，已迅速增長為目前每年數千萬，并按照10%左右的速度持續增長。

我國電子機讀旅行證件芯片產品從生產到證件發放、應用，需要經過芯片設計、芯片流片、CP測試、模塊封裝、證卡制作、芯片初始化、證卡個人化和邊檢查驗等環節。每個環節都可能產生相應的問題，導致后續應用芯片失效。在電子機讀旅行證件應用中，失效問題可歸為芯片存儲器失效、模塊及證卡制作過程電氣連接以及芯片與讀卡器的兼容性等問題。如何通過失效問題的分析和解決，提高專用芯片產品的一致性和穩定性，提升專用芯片產品的質量水平，是應用階段必須解決的問題。

我國電子機讀旅行證件分為本式和卡式兩種類型，證件生產過程有相似之處，又有區別。本文通過對卡式證件應用過程進行失效問題分析，本式證件失效分析可借鑒相關經驗開展。失效分析環節從應用角度涉及證件制作到應用的各個方面。

1卡體生產失效分析

1.1外觀檢查分析

外觀檢查分析一般委托第三方專業公司進行，采用目檢、X-Ray和金相顯微鏡（50/100/200/500倍）對失效卡片/模塊進行外觀檢查，拍攝各類照片（如下圖1和圖2所示），通過照片即可初步查明失效原因，并對后續失效分析過程進行指導。外觀檢查可形成如表1的數據表，通過數據表分析，可得出外觀分析結果。

表1 外觀檢查的數據

圖1 X-Ray光下可見模塊及焊點正常，卡片天線中間斷開

圖2模塊在顯微鏡下的外觀

1.2模塊分析

如果通過外觀檢查分析，依然不能看到明確的失效問題點，或者有多個失效分析點，不能最終確認問題，就需要進行模塊的開蓋分析。該分析過程也需要第三方專業公司使用專用設備進行，部分芯片或模塊檢測部門也有對應設備，但失效分析過程需要專業技術人員進行。

1.2.1 模塊開蓋（DECAP）分析

模塊開蓋分析是在模塊開蓋后，通過物理特性，對失效原因進行定位和確認。下圖3是模塊開蓋分析的一個實例。

圖3 模塊Decap后可見芯片一側邊緣有明顯裂紋

1.2.2 模塊電性能測試分析

對失效模塊通過人工配置線圈后，利用讀卡器對模塊進行14443-3握手指令（2條：ALOHA、ATTRIB）測試分析，查看模塊電性能有無響應。電性能測試數據樣例見表2。

表2 電性能測試數據

1.2.3 模塊開短路和電容測試分析

利用萬用表和LRC數字電橋對模塊天線間的阻抗和電容特性進行測試，看阻抗和電容是否符合設計值，可從中發現模塊是否短路、開路、斷裂或者正常。

1.2.4 模塊開封后外觀檢查和阻抗測試分析

將失效模塊做化學開封后，在金相顯微鏡（50/100/200/400倍）下對芯片做外觀檢查，查看芯片表面及其金絲連接狀況。或者使用萬用表復查其天線間阻抗是否變化。開封檢測數據如表3所示。

表3 開封檢測數據

1.3改進建議

針對制卡加工過程中產生的無響應失效的模塊/卡片，根據上述分析，建議如下：一是在后續批量生產中加強對模塊加工中的外觀檢查和控制，減少機械應力對模塊的損傷；二是在卡片批量生產中協同生產單位加強同卡片加工操作人員的細節溝通與交流，加大在卡片加工的填埋焊、疊張和層壓前工序中對外觀和模塊位置的檢查力度，減少模塊放置偏位或線頭搭到模塊本體或其它導致受力不均的問題；三是在模塊批量生產中加強模塊級的篩選力度，增加詢卡次數（由原來1次增加到3次），減少電性能不良的模塊流入下一道制卡工序；四是在后續制卡批量生產中繼續跟蹤和關注有關芯片模塊短路失效的狀況或比例，并配合進行相關的實驗分析和改進措施。

2卡片初始化失效分析

經過制卡過程的“白卡”，需要經過批量電特性質檢，篩查出沒有電信號的卡片。通過質檢的“白卡”證件，進入自動化批量初始化操作，初始化過程是多個讀寫頭同時操作多張證件，分別對每張證件進行相同的文件結構創建、初始化信息寫入并進行核驗等操作，過程中會對初始化及核驗失敗的卡片進行踢除，被踢卡片可進行人工修復操作，如人工修復操作失敗即為初始化失效卡片。

2.1失效現象

卡片初始化失效現象分為如下四種：一是卡片中芯片仍為初始化狀態創建期，可以進行傳輸密鑰替換和配置信息寫入等操作；二是卡片中芯片狀態為安裝期，主文件結構尚未創建完成；三是卡片中芯片狀態為安裝期，主文件結構已經創建完成，后續文件結構創建或者初始信息寫入未完成；四是核驗失敗。

2.2問題驛位

根據卡片初始化電特性操作，開發初始化問題定位軟件，通過讀卡器與卡片建立通訊連接，針對不同的失效現象讀取卡片關鍵信息，定位失效問題類型。下面以最復雜且不能修復的第二種失效現象分析為例，說明問題定位過程。其過程如下。

a）首先采用工具軟件，發送讀芯片序列號指令，如果正常返回序列號明文，說明芯片是初始化狀態，失效現象為第一種，否則進入下一步；

b）發送選擇主應用DF指令，如果返回9000，說明主文件結構已經創建，失效現象為第三或第四種，否則進入下一步；

c）發送清除MF命令，如果成功，失效現象為第三種，可人工修復；如果失敗，確認為第二種。

2.3改進建議

改善初始化設備讀卡器的連接連續性，例如調整多頭讀卡器交叉并行初始化時序，同時通過系統軟件，實現讀卡器連接斷開時的可恢復能力；芯片端可升級對應操作系統機制的更完整修復程序，使得所有狀態失效卡均可進行修復。

3個人化制證失效分析

專用芯片在應用驗證過程中，個人化制證失效主要表現在設備踢卡率和廢證率兩個方面，應用前期，相比國外芯片，兩項指標都高于國外芯片，經過失效分析和兼容性改進，目前已達到國外在用芯片同等效率。本文以其中一次實驗為例，介紹失效分析過程。

3.1失效現象

個人化制證總數為7200張，拋出卡數約35張隨后進行了重復個人化操作這一動作160次（這35張卡最終選取最穩定的機臺重新個人化操作）。最終有3張卡還是未能個人化成功統計為廢卡。拋卡原因數據如表4所示。

表4 個人化制證失效數據

3.2 分析過程

為分析上述失效現象，分別對正常個人化制證的卡片和失效證件流程進行數據抓包分析，可以看出如下流程對比：

◆ 正確時的流程：機具上電-發送REQA-發送REQA-下電 16ms -上電3.6ms-卡片返回ATQB

◆ 失效時的流程：機具上電-發送REQA-發送REQA-下電 16ms -上電3.6ms發送REQB指令-卡片無返回

現場實驗情況及結果數據的分析如表5所示。

表5 實驗數據

表6 調整后拋卡測試數據

根據實驗，確認是因為個人化機具發送的包絡信號已超出協議標準要求，導致讀卡器發送的信號卡片不能正常解調。個人化設備讀卡器與通用讀卡器及其標準協議的參數對比如表7所示ISO 14443協議要求如下圖4所示，協議對波形的參數要求如圖5所示。

表7 個人化讀卡器、通用讀卡器及標準協議的參數對比

圖4 TypeB 調制波形

圖5 調制波形時間參數

根據上圖標準要求可以看出，卡片應當可以接收的范圍是：tf在0/fc和最大值17/fc之間，且tr同時大于0/fc和tf -9/fc，并且同時小于tf+9/ fc和最大值17/fc。

此外，通過上電時間波形，發現上電時間也對失效有部分影響，分析方式與上述過程一致，采用標準符合性方向進行定位并提出解決方案。

3.3 改進建議

更新讀卡器固件或更新讀卡器電路，確保讀卡器發送的包絡信號滿足協議要求，可參考通用讀卡器。更新讀卡器固件，修改場強上電后發送的指令時間在5ms以后，可參考通用讀卡器。更新讀卡器固件，上電以后增加一次TYPEB輪詢次數提高詢卡成功率。讀卡器天線周圍的金屬檔板更換成非金屬檔板，避免非接能量損失以及射頻信號干擾。

4 邊檢查驗失效分析

經過個人化制作的卡片，最終發給持證人使用。持證人在邊檢查驗時不能正常通關，其證件即為失效證件。

4.1 失效現象

邊檢查驗失效證件表現為以下幾個方面：一是個人信息無法讀取；二是簽注信息無法讀取；三是無法正常進行簽注計數器交易；四是出入境記錄無法正常寫入。通過應用，發現第三種情況較多，下面以該情況為例進行問題分析和失效原因定位。

4.2 分析過程

邊檢查驗失效證件將由持證人申請、邊檢人員或發證機關回收，問題證件將經過一定處理后，返回上級機關，此時可以進行問題分析和定位。

首先，通過問題分析軟件讀失效證件的基本數據進行讀取，看是否能正常讀取，排除第一種問題，讀取結果如下圖6、7所示。

圖6 個人信息讀取正常

圖7 簽注信息讀取正常

第二步，對失效證件問題原因（簽注計數器交易）中簽注計數器信息進行讀取，發現現象可以重現，通過分析卡片與讀卡器之間的命令交互，可以看出，簽注計數器信息所在文件選擇命令時，響應為6A 82，通過查詢芯片操作系統手冊，可以發現，該文件已不存在。

4.3 改進建議

邊檢查驗失效通過以上諸環節的改進，基本可以降低失效概率，滿足應用過程中的成功率要求。

總體上，應對失效問題，芯片需要從擴大芯片設計各關鍵指標范圍、進一步降低芯片功耗以及實現性能及兼容性的平衡等方面逐步提升產品質量，可以更有效降低失效概率。通過對每次的批量應用實驗、應用驗證以及各批次試點應用的證件失效分析，并逐步落實上述改進建議，逐步提升了生產性能，效果明顯。

結束語

隨著社會發展和進步，人們出境、出國日益頻繁，對出入境證件產品質量和可靠性要求不斷提高。一般來說，芯片在研制、生產和使用過程中失效問題不可避免，如何改善甚至解決失效問題，失效分析工作顯得尤為重要。通過芯片失效分析，可以幫助設計人員找到設計缺陷、工藝參數的不匹配，可以發現生產制發操作中的相關問題，進一步提高產品的穩定性、安全性和一致性，也可以提升生產制發產線性能。

[1] 王愛英.“智能卡技術-IC卡與RFID標簽”，第三版.

[2] 張之津，李勝廣，薛藝澤.“智能卡安全與設計”，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，“信息技術—個人身份—ISO兼容駕駛執照訪問控制，認證和完整性驗證”，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