ESD-Konformität in einem Serverraum

Antistatische Bodenbeläge bieten Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) in zahlreichen Branchen und bedienen unterschiedliche Anwendungen, die von der Beseitigung störender Stöße bis hin zum Schutz des Flugturmbetriebs von Flugzeugen vor Gerätestörungen reichen. Diese Bodenbelagskategorie wird oft als ESD-Bodenbelag bezeichnet und kann statisch empfindliche elektronische Geräte und Anlagen vor schädlichen (aber aufgrund ihrer Unsichtbarkeit scheinbar belanglosen) statischen Entladungen schützen, die weit unter der menschlichen Empfindlichkeitsschwelle liegen. In anderen Fällen werden ESD-Bodenbeläge verlegt, um zu verhindern, dass statische Funken die Entzündung brennbarer Chemikalien, Munition, Sprengstoffe und energiereicher Materialien verursachen.

In ihrem Artikel „Are Data Centers Drying Up“1 diskutieren die Autoren Beaty und Quirk Alternativen zur Befeuchtung, wie ESD-Bodenbeläge, um reale ESD-Probleme in Rechenzentren zu verhindern, wie zum Beispiel:

Bei richtiger Spezifikation und Verwendung verhindern ESD-Bodenbeläge die Entstehung statischer Elektrizität und bieten einen Weg zur Erde für aufgeladene Objekte, einschließlich Personen, Materialien, Maschinen und Transportausrüstung. ESD-Bodenbeläge erden außerdem alle Objekte mit intrinsischer Leitfähigkeit, die mit dem Boden in Kontakt kommen. Für Rechenzentren empfehlen mehrere von ASHRAE finanzierte Studien nachdrücklich die Verwendung von zumindest mäßig leitfähigen Bodensystemen in kontrollierten Bereichen, um das Gesamtniveau der Ansammlung elektrostatischer Ladung zu reduzieren, unabhängig von der Umgebungsfeuchtigkeit oder der Art des im Raum verwendeten Schuhwerks.

Je nach Branche und Anwendung haben unterschiedliche Anforderungen an die statische Entladung und Prüfmethoden Vorrang. Beispielsweise fallen Anforderungen zur statischen Kontrolle beim Umgang mit Sprengstoffen normalerweise in den Zuständigkeitsbereich des Auftragnehmerhandbuchs des Verteidigungsministeriums (DoD), DOD 4145.26, oder des Standards des Energieministeriums (DoE), DOE 1212-2019. Im Gegensatz dazu befolgen Organisationen, die statisch empfindliche elektronische Geräte handhaben, die Richtlinien des ESD Association-Standards ANSI/ESD S20.20.

Es ist von entscheidender Bedeutung, den richtigen Standard und die richtige Strategie zur statischen Abschwächung für Ihre spezifische Anwendung zu finden. Wenn man den Wert, die Rechtsprechung und die Durchführbarkeit einer Organisation und von Standards vergleicht, ist es erwähnenswert, dass es zu rechtlichen Komplikationen kommen kann, wenn der falsche Boden verlegt wird. In einem im Januar 2012 im In Compliance Magazine veröffentlichten Artikel sagt der landesweit anerkannte Haftungsanwalt Kenneth Ross in einer Klage:

„… Industriestandards und sogar Zertifizierungen wie UL gelten als Mindeststandards … der Standard legt ein sinnvolles alternatives Design fest, und der Hersteller muss begründen, warum es nicht den Anforderungen entspricht.“ 2

Obwohl sich dieser Rat speziell auf Sicherheitsrisiken bezieht, stellt er ein zweites, viel umfassenderes Problem dar. Wie sieht es mit der Produktleistung aus? Statische Entladung ist ein sehr reales Problem, aber meist ein unsichtbares Problem. Woher weiß der Endbenutzer, dass er tatsächlich eine konforme Lösung installiert hat? Verlässt sich die Endbenutzerorganisation auf Lieferantenliteratur und -spezifikationen oder führt die Organisation ihre eigenen Tests durch? Was sind die Messgrößen zur Feststellung der Produktkonformität, und ähnelt ihr Bereich den Bedingungen, unter denen das Produkt für den Betrieb konzipiert wurde? ESD-Schuhe verbessern beispielsweise die Leistung von ESD-Bodenbelägen erheblich, können jedoch für Räume wie Callcenter und Serverräume unpraktisch sein.

Angesichts der Tatsache, dass Standards variieren, wie bestimmen Sie, welche Standards und Testmethoden für welche Umgebung herangezogen werden sollten? Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, berücksichtigen Sie die unterschiedlichen Anforderungen für Widerstandstests zwischen UL 779, DoE/DoD und den ANSI/ESD-Testanforderungen. DoE- und DoD-Widerstandstests von leitfähigen Bodenbelägen werden normalerweise mit einem auf 500 Volt eingestellten Ohmmeter durchgeführt. Die ANSI/ESD- und ASTM-Anforderungen für denselben Widerstandstest schreiben die Anwendung von entweder 10 Volt oder 100 Volt vor, abhängig von den Widerstandseigenschaften des zu prüfenden Materials.

Bodenbelagshersteller stellen in der Regel keine Produktspezifikationen bereit, die auf 500-Volt-Widerstandstests basieren, und die meisten Bodenbelagsplaner verlangen keine Ergebnisse, die bei unterschiedlichen Spannungen erzielt wurden. Warum sollte die Verwendung unterschiedlicher Spannungen bei einer Widerstandsprüfung ein Problem darstellen? Im Fall des Verteidigungsministeriums legte die Regierung einen Mindestbodenwiderstand von 40.000 Ohm fest, der bei 500 Volt getestet wurde, um die „Sicherheit“ vor Stromschlägen zu beurteilen. Nach dem Ohmschen Gesetz verringert eine Erhöhung der angelegten Spannung den Widerstand. Ein Boden, der mit der Testmethode ANSI/ESD STM 7.1 bei 10 Volt 40.000 Ohm misst, wird bei einer angelegten Spannung von 500 V deutlich unter der 40.000-Ohm-Anforderung liegen.

ASTM und ANSI bewerten beide den Widerstand leitfähiger Böden bei 10 und 100 Volt. Wenn ein Planer einen leitfähigen Boden auf der Grundlage von Testergebnissen auswählt, die mit den Testmethoden ASTM F150 oder ANSI/ESD STM 7.1 erzielt wurden, entspricht der Boden möglicherweise nicht den DoD-Anforderungen (500 Volt).

Was passiert, wenn die Widerstandsprüfung erst nach der Verlegung des Bodens durchgeführt wird? Dies geschah Anfang des Jahres auf einem Stützpunkt der US-Luftwaffe. In der Anlage werden Sprengstoffe verarbeitet, und der nach der Installation getestete Boden entsprach nicht den behördlichen Anforderungen. Der Lieferant hat über 100.000 US-Dollar an Arbeits- und Materialkosten ausgegeben, um seinen ESD-Boden zu entfernen und einen neuen Boden zu installieren, der dem Regierungsstandard entspricht. Beide Etagen hätten die statische Aufladung zufriedenstellend beseitigt, das Verteidigungsministerium gewährt jedoch keine Ausnahmen für nicht konforme Materialien, die in Sprengstoffanwendungen verwendet werden.

Ein großer Kabelfernsehanbieter beauftragte einen örtlichen Bodenbelagsunternehmer mit der Kostenübernahme für ein komplexes Projekt, bei dem alte Bodenbeläge in einem großen Rechenzentrum/Serverraum entfernt und durch eine Lösung zur statischen Kontrolle ersetzt wurden – das Projekt stellte viele Herausforderungen dar.

Der Verbund zwischen den alten Bodenfliesen und dem Beton (siehe Abbildung 1) hatte sich durch Alter und Kleberabbau verschlechtert. Der Bodenbelag direkt unter den Regalen konnte nicht entfernt werden, da die Anlage rund um die Uhr in Betrieb ist. Das Entfernen des Bodens rund um die Regale war aufgrund möglicher Probleme bei der Staubeindämmung riskant. Diese Hindernisse und bereits bestehenden Bedingungen führten das Kabelunternehmen zu Lösungen, die direkt über dem vorhandenen Boden installiert werden konnten.

Abbildung 1: Verfallender Boden im Serverraum eines Kabelunternehmens

Es wurden mehrere verschiedene ESD-Bodenbelagsmaterialien bewertet. Das Hauptziel bestand darin, ein Material zu finden, das ohne Klebstoffe installiert werden kann. Dadurch waren die Optionen auf ineinandergreifende Fliesen oder eine schwimmende Lösung wie Gummi-, Vinyl- oder ESD-Teppichfliesen beschränkt. Die Teppichoption wurde verworfen, da schweres Gerät ohne zusätzlichen Rollwiderstand bewegt werden musste. Dies führte direkt zu der Entscheidung, einen Verbundboden mit harter Oberfläche zu installieren.

Die nächste Frage: Wollten sie einen ableitfähigen oder einen leitfähigen Bodenbelag? Für ESD-Programmmanager in Elektronikfertigungsanlagen mag dies wie eine einfache Entscheidung erscheinen, aber diese Anwendung erforderte die Erdung von Personen, die in einer Betriebsumgebung Leiterplatten handhabten und wechselten. Der Kunde wollte wissen, wie hoch der Widerstand sein könnte, bevor er zu hoch ist, um Ladungen effektiv abzubauen, und welcher Widerstand als zu niedrig oder unnötig leitend angesehen werden könnte und somit ein potenzielles Sicherheitsrisiko darstellt. Der Boden musste außerdem verhindern, dass eine Person, die normales Schuhwerk trägt, in einer Umgebung mit schwankender Luftfeuchtigkeit eine Ladung erzeugt.

Gemäß ANSI/ESD STM 7.1 ist ein leitfähiger Bodenbelag jeder Bodenbelag mit einem Widerstand gegenüber einem erdbaren Punkt von weniger als einer Million (< 1,0 x 106) Ohm. Ein dissipativer Boden misst zwischen einer Million Ohm und weniger als einer Milliarde Ohm (< 1,0 x 109). Die ANSI/ESD S20.20-Qualifizierungsphase dieses Tests wird normalerweise in einem Labor bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (RH) durchgeführt. Mit einem Ohmmeter wird der Gesamtwiderstand aller für die Verlegung des Bodens erforderlichen Komponenten gemessen. Bei verklebten Bodenfliesen bedeutet dies, die Fliesen mit dem richtigen Kleber auf einem Testuntergrund zu verlegen und dann den Widerstand von der Fliesenoberfläche bis zu einer im oder unter dem Kleber vergrabenen Erdungsverbindung zu messen. Die aus diesem einfachen Labortest gewonnenen Messwerte bestimmen, ob ein Boden als leitfähig oder ableitfähig eingestuft wird.

Um einen entsprechenden Widerstand zu erreichen, werden Böden mit leitfähigen Oberflächen manchmal mit ableitfähigem Kleber verlegt. Solange der Klebstoff einen Weg zum Boden von mehr als 1,0 x 106 und weniger als 1,0 x 109 gewährleistet, wird diese Art von Bodensystem als statisch ableitendes Bodensystem bezeichnet. Labortests können nicht vorhersagen, ob dies in der Praxis problematisch sein könnte, da Labore keine Variablen präsentieren, die in der vorgesehenen Installationsumgebung gefunden werden. Beispielsweise könnte ein dissipatives Bodenbelagssystem, das auf dissipativem Klebstoff zur Steuerung seines Erdungswiderstands beruht, leitfähig gemacht werden, wenn die Installationsbedingungen zu einer Durchlässigkeit von Betonfeuchtigkeit führen oder wenn auf der Bodenoberfläche platzierte geerdete Geräte einen unbeabsichtigten Erdungspfad erzeugen.

Abhängig von der Konstruktion des Bodensystems können bestimmte Bodentypen im Feld auch anders abschneiden als bei der Eignungsprüfung. Ein Verbundboden wie beispielsweise Teppichfliesen oder ein schwimmender Vinylboden kann mit einer leitfähigeren Oberflächenschicht hergestellt werden als die Schichten unter der Oberfläche. Die Durchführung von Tests an einer Musterverlegung kann solche möglichen Fallstricke im Voraus erkennen und so Überraschungen nach der Verlegung des Bodens verhindern.

Für Rechenzentren und Serverräume gibt es keine offiziellen Standards für die Wahl des richtigen elektrischen Widerstands von ESD-Bodenbelägen. Aber wir können bei den Herstellern, die diese Geräte bauen, nach Anleitungen zur statischen Kontrolle suchen. Die meisten verwenden irgendeine Art von ESD-Bodenbelag. Da ihre ESD-Schutzprogramme darauf ausgelegt sind, ANSI/ESD S20.20 zu erfüllen, verlegen sie Bodenbeläge mit einer Widerstandsmessung unter 1,0 x 109 Ohm gegen Erde und Ladungserzeugung (gemäß Testmethode ANSI/ESD STM 97.2 unter 100 Volt bei Personal, das ESD trägt). Schuhwerk.

Angesichts der Tatsache, dass S20.20, IEC 61340-5-1 (das internationale Äquivalent von S20.20) und die FAA-Standards alle eine Obergrenze von < 1,0 x 109 festlegen, ist der Punkt, an dem die Leistung von Bodenbelägen zur statischen Kontrolle deutlich abnimmt Es ist logisch, dass dies eine allgemein akzeptierte Obergrenze wäre.

Jahrzehntelang wurde in NFPA-Veröffentlichungen ein elektrischer Mindestwiderstand von 25.000 Ohm für Fußböden in Operationssälen festgelegt. Dieser Widerstandswert wurde mit einem auf 500 Volt eingestellten Ohmmeter ermittelt. UL 779 fordert einen durchschnittlichen Mindestwiderstand von 25.000 Ohm. DoD 4145.26 legt 40.000 Ohm als Minimum in Gebieten mit 110-Volt-Stromversorgung und 75.000 Ohm in der Nähe von 220-Volt-Stromversorgung fest. (Für das Verteidigungsministerium erfüllt ein Fehlerstromschutzschalter dieselbe Anforderung.) In einem im Mai 2022 aktualisierten Beitrag auf der Website eines IBM-Rechenzentrums heißt es:

„Aus Sicherheitsgründen sollten der Bodenbelag und das Bodensystem einen Widerstand von mindestens 150 Kiloohm aufweisen, gemessen zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Bodenfläche im Abstand von 1 m (3 ft).“ 3

FAA 019f, Motorola R56 und ATIS 0600321 erfordern alle ESD-Bodenbeläge mit einer Stärke von mehr als 1,0 x 106. Wie das Unternehmen in der Fallstudie, das geerdetes Personal schützen musste, arbeiten Mitarbeiter in Einrichtungen, die diesen Standards unterliegen, in der Nähe von elektrifizierten Geräten. Diese Branchen haben ihre Standards mit der Absicht entwickelt, Arbeitnehmer vor der Gefahr eines Stromschlags zu schützen. Obwohl uns kein Fall bekannt ist, bei dem jemand durch einen ESD-Boden einen Stromschlag erlitten hat, handelt es sich hierbei um eine theoretische Möglichkeit, die in Labortests bestätigt wurde.

Es ist unbedingt zu bedenken, dass Widerstandsmessungen mit einem Ohmmeter niemals als Grundlage für die Bestimmung dienen sollten, wie viel Strom durch einen Boden mit statischer Kontrolle fließt. Insbesondere eine Studie von Fowler Associates in Simpsonville, SC, zeigte eine erhebliche Abweichung des tatsächlich gemessenen elektrischen Stroms auf ESD-Bodenbelägen im Vergleich zum vorhergesagten elektrischen Strom, der auf Widerstandsmessungen mit einem Ohmmeter basiert.4 Die einzigen Bodenbelagsprodukte, die zum Schutz vermarktet werden Der Schutz vor elektrischem Strom ist hochisolierend und dient nicht der statischen Kontrolle. ESD-Bodenbeläge sind nicht dafür ausgelegt, den Stromfluss zu verhindern. Es ist genau das Gegenteil. ESD-Bodenbeläge erleichtern den Ladungsfluss zur Erde.

Dadurch bleiben uns die erforderlichen Richtlinien wie die Einhaltung nationaler und lokaler Elektrovorschriften, die Beschränkung elektrischer Arbeiten auf qualifiziertes Personal und Organisationen sowie die Entwicklung, Implementierung und Durchsetzung eines elektrischen Sicherheitsprogramms. Das heißt nicht, dass wir keinen Mindestwiderstand in Betracht ziehen sollten. Es bedeutet lediglich, dass wir uns als Sicherheitsmaßnahme nicht auf den elektrischen Widerstand verlassen sollten. Unabhängig davon, ob der Widerstand ein verlässlicher Indikator für Leckströme ist oder nicht, sollten Bodenbelagshersteller den Rat von Ken Ross berücksichtigen, d. Der „Hersteller müsste begründen, warum er die Vorschriften nicht eingehalten hat.“

Serverräume unterscheiden sich von Räumen in der Elektronikfertigung und auch die Auswahlkriterien unterscheiden sich. Eine wichtige Frage bei der Auswahl eines ESD-Bodens für einen Serverraum im Gegensatz zu einer Produktionsumgebung ist, ob der Boden statische Aufladungen ohne ESD-Schuhe abmildern kann oder nicht. In Elektronikeinrichtungen muss das gesamte Personal am Boden ESD-Schuhe tragen. Der Einsatz von ESD-Schuhen wäre in einem Serverraum unpraktisch. Diese Einschränkung macht es dringend erforderlich, einen Boden zu verlegen, der unabhängig vom Schuhwerk oder niedriger relativer Luftfeuchtigkeit nur minimale Ladungen erzeugt.

Laut einer großen, von ASHRAE finanzierten Studie:

„Obwohl es sich als unmöglich erweisen kann, das Schuhwerk, das das Personal trägt, das Rechenzentren betritt oder dort arbeitet, mit Sicherheit zu kontrollieren, sollten sich Eigentümer und Manager von Einrichtungen darüber im Klaren sein, dass Schuhe zu Problemen im täglichen Betrieb des Rechenzentrums führen können. Nahezu jedes herkömmliche Sohlenmaterial auf Polymerbasis kann zu hohen Aufladungen führen, einige mehr als andere – unabhängig von der Luftfeuchtigkeit. Ein leitfähiger Boden trägt dazu bei, die elektrostatische Aufladung selbst bei Schuhen mit dem höchsten Potenzial für die Erzeugung statischer Aufladungen zu verringern.“ 5

Auch die Art des antistatischen Bodenbelagsmaterials spielt bei der Ladungserzeugung eine Rolle. Zu den aussagekräftigsten dokumentierten Statistiken gehört die Wahrscheinlichkeit, beim Gehen auf einem Boden mit Antistatik-Funktion und in normalen Schuhen eine Ladung von über 500 Volt zu erzeugen (siehe Tabelle 1). Die Wahrscheinlichkeit, dass auf einem statisch ableitfähigen Vinylboden 500 Volt auftreten, wurde mit 35 % berechnet; Bei einem leitfähigen Vinylboden sank die Wahrscheinlichkeit auf 8 %. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein leitfähiger Gummiboden eine Ladung über 500 Volt zulässt, lag bei nur 0,1 %.

* Durch den Einsatz von ESD-mindernden Bodenbelägen und Schuhen kann das Risiko einer ESD-Störung und -Schädigung auf ein unbedeutendes Maß reduziert werden, selbst wenn die Luftfeuchtigkeit auf niedrige Werte, z. B. 8 %, sinkt. Leider ist die Kontrolle des Schuhwerks in den meisten Rechenzentren sehr unpraktisch.

In der Vergangenheit waren Rechenzentren zur Kontrolle statischer Elektrizität auf Befeuchtung angewiesen. Die ESD Association hat die Befeuchtung als Anforderung in der Version 2007 von ANSI/ESD 2020 gestrichen. Wir können und sollten auf andere Standards zurückgreifen, um den spezifischen Anforderungen dieser Räume gerecht zu werden.

Das ASHRAE-Forschungsprojekt RP-1499 zeigt, dass die Installation statischer Bodenbeläge in Rechenzentren und Serverräumen das problematische Ausmaß der statischen Erzeugung kontrollieren, reduzieren und verhindern und dadurch eine erhebliche Reduzierung des langjährigen Befeuchtungs- und Energiebedarfs ermöglichen kann diese Räume.

Die Bekämpfung dieser Probleme mit einer einmaligen Infrastrukturlösung wie ESD-Bodenbelägen ist sinnvoll, insbesondere im Vergleich zur Energieverschwendung für die Kühlung eines stark feuchten Raums. In „The Effect of Humidity on Static Electricity Induced Reliability Issues of ICT Equipment in Data Centers“ (Endnote Nr. 5) empfehlen die Autoren Wan, Swenson, Hillstrom, Pomerenke und Stayer dringend die Verwendung von:

„Zumindest mäßig leitfähige Bodensysteme in kontrollierten Bereichen, um das Gesamtniveau der Ansammlung elektrostatischer Ladung zu reduzieren, unabhängig von Schuhwerk oder Umgebungsfeuchtigkeit.“ Der Bodenbelag muss ohnehin verlegt werden, und die mit einem leitfähigen statt einem isolierenden Boden verbundenen Kosten sind im Vergleich zu den laufenden Betriebskosten für die Aufrechterhaltung eines angemessenen Feuchtigkeitsniveaus (niedrige Luftfeuchtigkeit) gering.“

Bei der Bewertung eines ESD-Bodens sollten mehrere Leistungsfaktoren untersucht werden, darunter maximaler und minimaler elektrischer Widerstand, elektrische Vorschriften und Industriestandards, Ladungserzeugung bei der niedrigsten relativen Betriebsfeuchtigkeit sowie Leistung mit und ohne ESD-Schuhwerk. Ob sich das Rechenzentrum im Bau befindet oder bereits in Betrieb ist, wirkt sich auf die Optionen für ESD-Bodenbeläge aus und schränkt diese möglicherweise ein.

Einige Organisationen bevorzugen, dass leitfähige Böden keinen elektrischen Kontakt mit Racks haben (siehe Abbildung 2), da der Erdungspfad vom Rack zum Boden möglicherweise Auswirkungen auf die Systemanalyse hat. Eine weitere Überlegung ist, ob der Kontakt mit geerdeten Racks die Widerstandseigenschaften eines Bodens zwischen Oberfläche und Erde verändern könnte. Experimentelle Installationen können diese Möglichkeiten aufzeigen, bevor Planer eine endgültige Auswahl treffen.

Abbildung 2: Serverraum mit ineinandergreifendem leitfähigem Boden ausgelegt. Beachten Sie, dass die Bodenkanten beschnitten sind, um einen Kontakt mit den Regalen zu vermeiden

In Kombination mit Antistatik-Stühlen und Erdungsbändern können Antistatik-Bodenbeläge eine äußerst effektive Lösung mit nur einem Aufwand für alle Arten von IKT-Räumen darstellen.

RechenzentrumDavid LongesdBodenbelagServerraumStandardsStatische Kontrolle

Dave Long ist CEO und Gründer von Staticworx, Inc., einem führenden Anbieter von Bodenbelagslösungen für antistatische Umgebungen. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Branchenerfahrung und kombiniert sein umfassendes technisches Wissen über Elektrostatik und Betonsubstratprüfung mit einem praktischen Verständnis dafür, wie Materialien in realen Umgebungen funktionieren.

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