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Goos-Hanchen-Shift Photonic Sensor for Nanometer-Scale Delayering and Tamper Detection in Semiconductor Packages

Este artículo propone un sensor fotónico empaquetado conjuntamente que utiliza el desplazamiento de Goos-Hänchen de un haz óptico reflejado para detectar de forma rápida y sensible el delaminado a escala nanométrica y la perforación localizada en empaques de semiconductores, ofreciendo una sensibilidad y codificación espacial significativamente mayores en comparación con los métodos convencionales de reflexión interna total.

Autores originales: Mia Mohammad Shoaib Hasan, Mohamed Elkabbash

Publicado 2026-08-13

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CC BY 4.0

Autores originales: Mia Mohammad Shoaib Hasan, Mohamed Elkabbash

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando proteger un cofre del tesoro secreto, pero la cerradura es tan compleja que un ladrón podría forzarla sin que llegues a oír un solo clic. En el mundo de los chips informáticos, este "tesoro" son los datos sensibles dentro de un encapsulado de semiconductores. Para robarlos, un hacker podría intentar raspar lentamente las capas de la cubierta protectora del chip, un proceso llamado "delayering" (eliminación de capas), para echar un vistazo a los circuitos internos. Los sistemas de seguridad tradicionales son como una malla metálica que envuelve el cofre; si la malla se corta, suena una alarma. Pero los ladrones astutos han aprendido a cortar la malla y volver a tejerla de forma tan perfecta que la alarma nunca se activa.

Para resolver esto, los científicos están observando la luz misma. Dos ideas clave hacen posible este nuevo enfoque. Primero, existe la "Reflexión Interna Total", que ocurre cuando la luz golpea una superficie en un ángulo pronunciado y rebota completamente, como una piedra saltando sobre un estanque. Segundo, existe un fenómeno peculiar llamado "desplazamiento de Goos–Hänchen". Cuando la luz rebota en una superficie, no solo rebota directamente hacia atrás; sino que, en realidad, se desliza un poco lateralmente a lo largo de la superficie antes de regresar. Este deslizamiento suele ser invisible a simple vista, pero si se puede medir con extrema precisión, se convierte en una regla super sensible. Si la superficie en la que rebota la luz cambia aunque sea un mínimo —como si se raspara una capa de material—, el tamaño de ese deslizamiento lateral cambia de una manera predecible. Este artículo explora cómo podemos usar este deslizamiento lateral, diminuto e invisible, para atrapar a los ladrones en el acto de pelar la piel de un chip, capa por capa microscópica.

Los investigadores, MIA MOHAMMAD SHOAIB HASAN y MOHAMED ELKABBASH, proponen un nuevo tipo de sensor de seguridad que actúa como un "detector de deslizamientos" de alta tecnología para chips informáticos. En lugar de utilizar una malla metálica que puede ser engañada, utilizan un rayo láser y el desplazamiento de Goos–Hänchen para vigilar el grosor del encapsulado del chip. Diseñaron un sistema donde un rayo láser se dispara a la superficie del chip en un ángulo agudo. Normalmente, el rayo rebotaría directamente hacia atrás. Sin embargo, añadieron una capa especial de alto índice que permite que la luz "tunelice" ligeramente en el material antes de reflejarse. Esto crea una cantidad específica de deslizamiento lateral, o desplazamiento, para el rayo reflejado.

El equipo utilizó simulaciones por computadora para probar cómo reacciona este sensor cuando un atacante intenta taladrar o raspar el material. Descubrieron que a medida que el material se vuelve más delgado, el deslizamiento lateral del rayo de luz crece en una línea muy recta y predecible. En sus simulaciones, por cada nanómetro de material eliminado, el rayo se desplazó 5.3 nanómetros. Para poner esto en perspectiva, esto es casi tres veces más sensible que los métodos antiguos que simplemente utilizan un rebote simple. Esto significa que el sensor puede detectar a un ladrón eliminando una capa de material que es increíblemente delgada —de unos 28 nanómetros— mucho antes de que el ladrón pueda realmente alcanzar los circuitos sensibles dentro del chip.

El artículo también aborda una preocupación importante: ¿qué pasa si el entorno cambia? Si el chip se calienta, o si el color del láser cambia ligeramente, ¿podría el sensor confundirse y gritar "¡Ladrón!" cuando no hay nadie allí? Los autores simularon estas condiciones, probando qué sucede si la temperatura cambia drásticamente o si la longitud de onda del láser deriva. Descubrieron que su sensor es muy robusto. Incluso con grandes cambios en la temperatura o en el color de la luz, la relación entre el grosor del material y el deslizamiento del rayo permanece estable. Esto se debe a que están utilizando un rango "fuera de resonancia" específico donde la física es simple y fiable, evitando el comportamiento desordenado y errático que ocurre cuando las cosas están perfectamente sintonizadas con una frecuencia específica.

Finalmente, los investigadores comprobaron si este sensor podía atrapar a un ladrón que intentara ser sigiloso realizando solo un pequeño agujero en un punto, en lugar de raspar toda la superficie. Las simulaciones mostraron que el sensor sigue funcionando. Incluso un taladro estrecho crea un cambio en el deslizamiento de la luz, y cuanto más ancho sea el taladro, mayor será el cambio. Esto sugiere que el sensor puede detectar tanto un raspado lento y uniforme como ataques de taladrado localizados y repentinos.

En resumen, este artículo sugiere una forma de convertir un pequeño y extraño capricho de la física de la luz en un poderoso escudo para los chips informáticos. Al medir exactamente cuánto se desliza lateralmente un rayo láser, este sensor puede detectar la eliminación de capas de material de grosor nanométrico con alta velocidad y alta sensibilidad. Ofrece una forma de detectar manipulaciones que es mucho más difícil de falsificar que las alarmas electrónicas actuales, permitiendo potencialmente detener a los atacantes antes de que puedan siquiera ver los secretos ocultos dentro del chip.

Resumen Técnico: Sensor Fotónico de Desplazamiento de Goos–Hänchen para la Detección de Manipulación y Delayering a Escala Nanométrica

Declaración del Problema
La manipulación física de los empaques de semiconductores representa una amenaza crítica para la integridad del sistema, permitiendo que los atacantes expongan la circuitería interna, sondeen señales o modifiquen la operación del dispositivo. Las soluciones actuales de vanguardia contra la manipulación, principalmente las mallas activas electrónicas, enfrentan limitaciones: son vulnerables a estrategias sofisticadas de eliminación o bypass asistidas por FIB (haz de iones focalizado), ofrecen solo protección a nivel de die y no abordan la superficie de ataque ampliada creada por el empaquetado avanzado (por ejemplo, chiplets, interposers). Además, los sensores de firma térmica o eléctrica indirecta pueden ser suplantados mediante la reproducción de condiciones ambientales. Existe una falta distintiva de métodos de protección capaces de un sensado rápido, a escala nanométrica, de delayering de película delgada que genere una firma óptica difícil de emular por un atacante.

Metodología
Los autores proponen un sensor fotónico co-empaquetado basado en el desplazamiento de Goos–Hänchen (GH)—el desplazamiento lateral de un haz óptico finito tras la reflexión interna total (TIR). La arquitectura del sensor integra un láser o VCSEL y un arreglo de detectores directamente en el empaque.

Mecanismo: Un haz gaussiano se lanza en un ángulo oblicuo hacia una capa de sensado de alto índice. El sensor utiliza la Reflexión Interna Total Frustrada (FTIR) para acoplar el haz en esta capa de alto índice.
Física: El haz consiste en componentes de vector de onda transversales ( $k_{\parallel}$ ) que adquieren una fase de propagación dependiente del espesor. Tras la recombinación, este gradiente de fase resulta en un desplazamiento lateral ( $D_{GH} \approx -\partial\phi/\partial k_{\parallel}$ ).
Lógica de Detección: El delayering progresivo (eliminación de material) o la perforación localizada alteran el coeficiente de reflexión complejo de la multicapa. Esto modifica el desplazamiento GH, cambiando el centroide del haz y la distribución de intensidad transversal. Estos cambios son medidos por un arreglo de fotodetectores CMOS para activar la puesta a cero (zeroization) o el apagado.
Simulación: El estudio emplea análisis de Método de Elementos Finitos (FEM) (COMSOL Multiphysics) para modelar la interacción de un haz gaussiano (incidente a 65°) con las capas de sensado, variando el espesor de 20 nm a 820 nm.

Contribuciones Clave y Resultados

Sensibilidad Mejorada vía FTIR: El artículo demuestra que el uso de una estructura basada en FTIR con una capa de sensado de alto índice supera significativamente a las estructuras convencionales de TIR de bajo índice.
- TIR de bajo índice: Exhibe una sensibilidad de delayering de 1.8 nm de desplazamiento de haz por nanómetro de material eliminado.
- FTIR de alto índice: Logra una sensibilidad de 5.3 nm de desplazamiento de haz por nanómetro de material eliminado (casi tres veces mayor).
- Límites de Detección: Basándose en una precisión de posición de haz de referencia de 150 nm, el sensor FTIR reduce la profundidad mínima de delayering detectable de ~83 nm (bajo índice) a **28 nm**.
Régimen de Operación Lineal: El sensor exhibe una respuesta aproximadamente lineal para espesores de la capa de sensado por debajo de 250 nm. En este régimen, la relación entre el desplazamiento del haz y el espesor restante de la capa es directamente invertible, lo que permite una calibración sencilla sin correcciones no lineales complejas.
Robustez ante Variaciones Ambientales: Los autores evalúan la estabilidad del sensor frente a variaciones que suelen causar falsos positivos en otros sistemas:
- Índice de Refracción: El estudio simuló una variación total de índice de refracción de $\Delta n = 0.01$ para ambas capas dieléctricas. Para la capa de alto índice ( $Al_2O_3$ ), este cambio de índice corresponde a una excursión de temperatura hipotética de aproximadamente 364 °C basada en su coeficiente termo-óptico. Para la capa de bajo índice ( $SiO_2$ ), el mismo $\Delta n = 0.01$ corresponde a un cambio de temperatura hipotético de aproximadamente 900 °C. En ambos casos, el cambio en la respuesta del desplazamiento GH fue insignificante.
- Longitud de Onda: Las variaciones de 1540–1560 nm (que representan un desvío de VCSEL de 25–85 °C) muestran curvas de desplazamiento GH casi superpuestas en el régimen lineal.
- Ángulo de Incidencia: Las variaciones de ±1° alrededor del ángulo nominal de 65° no producen cambios significativos en la calibración, siempre que el sistema opere fuera de la resonancia (lejos del pico de Fabry–Pérot cerca de 600 nm).
Detección de Ataques Localizados: El sensor no se limita al delayering uniforme. Los resultados numéricos indican que la perforación localizada produce un cambio de desplazamiento GH monotónico que aumenta tanto con la profundidad como con el ancho de la perforación. Los taladros más anchos se detectan a profundidades menores debido a la mayor fracción del haz perturbada.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo postula que esta lectura de desplazamiento GH ofrece un enfoque de detección de manipulación rápido, espacialmente codificado y difícil de emular para el empaquetado de semiconductores.

Dificultad de Emulación: A diferencia de los sensores electrónicos escalares, un atacante no puede suplantar fácilmente la señal. Para emular una respuesta no manipulada tras el delayering, un adversario necesitaría reconstruir precisamente todo el perfil de intensidad espacial del haz reflejado (atenuando el exceso de luz e inyectando distribuciones de luz faltantes específicas), una tarea significativamente más compleja que el bypass de una sola traza eléctrica.
Arquitectura de Seguridad: Este enfoque proporciona seguridad continua desde el límite del empaque hasta los dies protegidos. Los autores sugieren que combinar este sensor distribuido a nivel de empaque con sensores ópticos localizados a nivel de die podría extender la detección a ataques de escala FIB con tamaños de característica de unas pocas decenas de nanómetros.
Desempeño: El sistema ofrece una latencia de detección potencialmente del orden de 10 ns (limitada por la electrónica de lectura), lo que reduce significativamente el tiempo de detección en comparación con los métodos actuales.

Este trabajo establece que los desplazamientos GH basados en FTIR pueden mejorar la sensibilidad del delayering sin sacrificar la robustez contra perturbaciones mecánicas y ambientales, abordando una brecha crítica en la seguridad física para el empaquetado avanzado de semiconductores.

Resumen Técnico: Sensor Fotónico de Desplazamiento de Goos–Hänchen para la Detección de Manipulación y Delayering a Escala Nanométrica

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