Conception et développement d'un dispositif de protection ultime de données à base de nanothermites déposées par impression 3D

Design and development of an ultimate data protection device based on nanothermites deposited by 3D printing

• Auteur / Autrice : Florent Sevely
• Direction : Carole Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Cazarré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Nouet, Gilles Jacquemod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protection de l'information (informatique)

Thermochimie

Nanoparticules

Mots clés libres

Thermite Al/CuO

Nanoparticules

Anti reverse engineering

Sécurité

Auto-destruction rapide

3D printing

Thermite Al/CuO

Nanoparticle

Anti reverse engineering

Security

Rapid self-destruction

3D printing

Résumé

La sécurité est devenue un élément essentiel des systèmes électroniques utilisés dans le stockage de données personnelles, bancaires ou dans des équipements critiques tels que les systèmes militaires, systèmes embarqués ou les infrastructures énergétiques. En effet, les systèmes électroniques manipulent de plus en plus des données sensibles dans des environnements non contrôlés et sont confrontés à des attaques de sabotage, de l'espionnage industriel ou du rétro engineering. Compte tenu du nombre croissant d'attaques au cours de la dernière décennie, il est crucial de durcir les technologies et développer des micro-sécurités capables de protéger les données sensibles ainsi qu'empêcher l'intrusion physique. Cette thèse rentre dans ce contexte, en proposant un nouveau concept de sécurité ultime consistant à placer sur le composant sensible, un dispositif capable de détruire de façon très rapide et fiable le composant contenant les données sensibles en cas de d'intrusion. Notre concept et le dispositif en découlant, appelé dispositif de sécurité ultime (USD), est actionné par un matériau composite réactif à base d'une nanothermite Al/CuO dont la réaction très énergétique détruit en moins de 100 µs la puce contenant les données sensibles. Dans cette thèse nous avons d'abord développé un pyroMEMS pour initier en moins de 30 μs le matériau composite réactif à base de nanothermite, et avons proposé une version alternative qui ne s'initie pas sous 1A / 1W pendant 5 min respectant ainsi les réglementations STANAG en vigueur dans certaines applications. Nous avons conçu et mis en forme une encre réactive à base de nanopoudre Al/CuO et de complexe de cuivre déposable par impression 3D sur des circuits électroniques. Après avoir étudié la stabilisation de cette encre avec un polymère PVP (wt% = 5%) nous avons non seulement mis au point un équipement de dépôt par pousse seringue mais aussi caractérisé en initiation et combustion les couches de matériau composite réactif ainsi déposé. Ma thèse s'est conclue avec la réalisation de plusieurs prototypes du composant USD, leur caractérisation, validant ainsi l'étape de faisabilité de notre concept de sécurité. Au cours de cette thèse, j'ai pu aussi approfondir les connaissances sur l'initiation des nanothermites multicouches Al/CuO, mettant en évidence que l'initiation dans ces empilements de couches minces, comprenant un oxyde semi-conducteur, le CuO, n'est pas que le fait de l'effet Joule. J'ai enfin pu alors optimiser une électronique d'allumage du pyroMEMS par décharge capacitive permettant des initiations fiables et très rapides (µs).

Security has become an essential element of electronic systems used in the storage of data personal or banking data or in critical equipment such as military systems, embedded systems or energy infrastructures. Indeed, electronic systems increasingly handle sensitive data in uncontrolled environments and are faced with sabotage attacks, industrial espionage or reverse engineering. Given the increasing number of attacks over the past decade, it is crucial to harden technologies and develop micro-security capable of protecting sensitive data as well as preventing physical intrusion. This thesis falls into this context, by proposing a new concept of ultimate security consisting in placing on the sensitive component, a device capable of very quickly and reliably destroying the component containing the sensitive data in the event of an intrusion. Our concept and the resulting device, called ultimate security device (USD), is activated by a reactive composite material based on an Al/CuO nanothermite whose very energetic reaction destroys the chip containing the sensitive data in less than 100 µs. In this thesis we first developed a pyroMEMS to initiate in less than 30 µs the reactive composite material based on nanothermite, and proposed an alternative version which does not initiate under 1 A / 1 W for 5 min thus respecting the STANAG standardization in effect in some applications. We have designed and shaped a reactive ink based on Al/CuO nanopowder and copper complex that can be deposited by 3D printing on electronic circuits. After studying the stabilization of this ink with a polymer, the PVP, (wt% = 5%) we have not only developed a syringe-driver deposition equipment but also characterized in initiation and combustion the layers of reactive composite material thus deposited. My thesis ended with the realization of several prototypes of the USD component, their characterization, validating the feasibility of our security concept. During this thesis, I was also able to deepen the knowledge on the initiation of Al/CuO multilayer nanothermites, highlighting that the initiation in these stacks of thin layers, comprising a semiconductor oxide, CuO, is not only due to the Joule effect. I was finally able to optimize an electronic ignition of the pyroMEMS by capacitive discharge allowing reliable and very fast initiations (µs).