ESD-Bodenbeläge für Reinräume

Erstens verschärft sich das ESD-Problem, da die elektronischen Geräte immer kleiner und leistungsfähiger werden. Die Miniaturisierung, auch bekannt als Skalierung der Geräte, verringert den Raum für den Schutz auf dem Chip, was die Anfälligkeit für ESD erhöht und den Bedarf an statisch kontrollierten, fehlertoleranten Bodenbelägen unterstreicht.
Darüber hinaus stellen die jüngsten und vorgeschlagenen Änderungen der ESD-Normen, einschließlich der ANSI-Normen (American National Standards Institute), die Fertigungsbetriebe, die eine ISO-Zertifizierung anstreben, vor größere Herausforderungen. Diese Änderungen betreffen die Notwendigkeit, die überarbeiteten Leistungsparameter zur Verhinderung statischer Aufladung einzuhalten, wobei Unternehmen, die dies nicht tun, potenziellen Geschäftseinbußen aufgrund der Nichteinhaltung ausgesetzt sind.
In Reinräumen installierte Fußböden haben enorme Auswirkungen auf das Endergebnis, wenn man die potenziellen Kosten für den Einbau eines neuen, korrekt spezifizierten Fußbodens bedenkt, nachdem Ihre Anlage in Betrieb ist.
Mit anderen Worten: Es ist von größter Wichtigkeit, dass der ESD-Bodenbelag gleich beim ersten Mal richtig gewählt wird, und es sollte keinen Raum für Kompromisse innerhalb der kostbaren Immobilien von Reinräumen geben. Dennoch gibt es immer wieder Probleme. Und warum?

ERSTE ÜBERLEGUNGEN
Es ist verständlich, dass viele Ingenieure und Facility Manager frustriert und verwirrt sind, wenn es um die Auswahl von statisch kontrollierten Böden für ihre Fabriken geht. Sie haben in der Regel weder die Zeit noch das nötige Fachwissen, um sich mit elektrischen Spezifikationen und Normen zu befassen. Bei der Auswahl eines Fußbodens sind Aspekte wie Wartung, Haltbarkeit, Ergonomie, Sicherheit, Installationsverfahren und vor allem die Frage zu berücksichtigen, wie der Boden die statische Aufladung von Personen aufgrund ihres Schuhwerks kontrolliert.

In Reinraumumgebungen erfordert der Prozess oft die Unterstützung durch externe Experten, die auf ESD, Kontaminationskontrolle, Ionenchromatographie, Materialausgasungstests und Partikelanalyse spezialisiert sind.

Je nach Anwendung und Standort können ESD-Böden auf alten Böden, auf nacktem Beton oder auf erhöhten Bodenplatten verlegt werden. Aus Gründen der Kontaminations- und Partikelkontrolle sind jedoch nur drei Arten von ESD-Böden für Reinraumumgebungen geeignet: Gummi, Vinyl und Epoxid.

Vor diesem Hintergrund konzentrieren sich die folgenden Ausführungen auf Schlüsselfaktoren, die bei der Bewertung und Auswahl zu berücksichtigen sind, einschließlich elektrischer Widerstand, Schuhwerk, Sauberkeit, mechanische Eigenschaften und Ergonomie.

ELEKTRISCHER WIDERSTAND
Gummi-, Vinyl- und Epoxidböden können entweder im leitfähigen oder im statisch-dissipativen Ohm-Bereich hergestellt werden. Nach Angaben der ESD Association misst ein leitfähiger Boden unter einer Million Ohm (1,0 X 10 E6), wenn die Testmethode ANSI/ESD S7.1-2005 angewendet wird. Mit demselben Test wird ein Boden, der zwischen einer Million und einer Milliarde Ohm (1,0 X 10 E9) misst, als statisch ableitend definiert. Generell sind die meisten Experten der Meinung, dass Böden mit einem Wert von unter 10 Millionen Ohm (1,0 X 10 E7) die besten statischen Eigenschaften für die Herstellung und Handhabung von elektronischen Geräten aufweisen. Böden, die über 10 Millionen Ohm messen, leiten statische Elektrizität langsamer ab als Böden, die im leitfähigen oder unteren Bereich des statisch ableitenden Bereichs (< 1,0 X 10 E7) liegen.

Außerdem können ESD-Böden, die zu leitfähig sind, als nicht sicher angesehen werden. Die meisten Sicherheitsingenieure beziehen sich auf NFPA 99, um den Mindestwiderstand von leitfähigen Böden zu definieren. Nach der Fassung von NFPA 99 aus dem Jahr 2005 sollte ein Boden nicht weniger als 25.000 Ohm (2,5 X 10 E4) aufweisen. Es gibt jedoch eine Einschränkung, wenn man sich auf NFPA 99 bezieht: Für diese Prüfung muss der Widerstand eines Fußbodens mit einem Ohmmeter mit einem 500-Volt-Ausgang gemessen werden, und die meisten Messgeräte, die für die Prüfung leitfähiger Fußböden verwendet werden, arbeiten mit 10 Volt. Leider führt dies zu einem potenziellen Sicherheitsdilemma für Planer, da ein Boden, der bei 10 Volt 25.000 Ohm misst, bei einer Prüfung mit 500 Volt weit unter dem NFPA-Mindestwert von 25.000 Ohm liegt. Aus diesem Grund empfehlen wir, den Mindestwiderstand auf über 50.000 Ohm festzulegen, um die durch die beiden unterschiedlichen Prüfverfahren verursachte Diskrepanz zu beseitigen.

Fazit: Empfohlener Bodenbereich: mehr als 50.000 Ohm und weniger als 10.000.000 Ohm (5,0 x 10 E4 - 1,0 x 10 E7).

SCHUHWAREN
ESD-Böden sollten niemals nur nach den elektrischen Widerstandsparametern bewertet werden, da dies nur ein Teil des Problems ist. ESD-Normen wie ANSI/ESD S20.20-2014 verlangen die Prüfung sowohl der Widerstandseigenschaften (Ohm) als auch der ladungserzeugenden Eigenschaften (Volt) des Bodens. Die ESD Association verlangt, dass die Leistung des Bodens in Kombination mit statisch ableitendem Schuhwerk bewertet wird. Die erste Anforderung in S20.20 bewertet eine Eigenschaft, die als Systemwiderstand" bezeichnet wird und mit der Prüfmethode ANSI/ESD S97.1 bestimmt wird. Bei diesem Test wird der Ohmsche Widerstand von der Hand einer Person zum Boden gemessen - durch den Körper, das Schuhwerk, den Boden selbst und den Boden. Seit November 2011 ist für einen akzeptablen Messwert ein Systemwiderstand unter 35 Millionen Ohm (3,5 X 10 E7) erforderlich. (Vor dem Verfassen dieses Artikels haben wir mehrere Mitglieder des ANSI/ESD S20.20-Ausschusses zu möglichen Änderungen der Anforderung an den Systemwiderstand befragt. Uns wurde mitgeteilt, dass die Anforderung auf maximal 1 Milliarde Ohm (1,0 X 10 E9) angehoben werden könnte. Wenn dieser Systemwiderstand jedoch erhöht wird, wird die Forderung nach einer gleichzeitigen Prüfung der Körperspannung dies wahrscheinlich ausgleichen).

Die Erzeugung von Körperspannung wird durch Messung der statischen Aufladung nach der Prüfmethode ANSI/ESD S97.2 bestimmt. Bei dieser Methode gehen Personen, die spezielle Schuhe zur Kontrolle der statischen Aufladung tragen, auf einem ESD-Boden, während sie an ein Messgerät angeschlossen sind, das die Menge der statischen Aufladung misst, die die Person durch die Wechselwirkung zwischen dem Schuhwerk und dem geerdeten Boden erzeugt. Um ANSI/ESD S20.20 zu erfüllen, darf eine Person, die zugelassenes, geerdetes Schuhwerk trägt, nicht mehr als 100 Volt erzeugen. Das Erreichen dieses Parameters kann jedoch in Reinräumen schwierig sein, je nachdem, welche Anforderungen an das Schuhwerk zur Kontaminationskontrolle gestellt werden. Standard-Schuhüberzüge für Reinräume erzeugen statische Spannungen von über 1.000 Volt. Mehrere Anbieter bieten Einweg- und Dauerschutzüberzüge mit leitfähigem oder statisch ableitendem Material auf der Unterseite an.

Unabhängig von den Spezifikationen des Schuhüberzugs sollten sie immer mit einem geerdeten Boden getestet werden. Tests haben gezeigt, dass viele leitfähige und statisch ableitende Vinyl- und Epoxidböden bei Testpersonen, die diese Arten von Überziehern und Schuhüberzügen tragen, weit über dem Höchstwert von 100 Volt liegen. Dieselben Tests haben gezeigt, dass leitfähige Gummiböden in Kombination mit den meisten statikkontrollierenden Reinraumschuhen deutlich unter 100 Volt erzeugen. Der Grund dafür ist, dass leitfähiger Kautschukboden unabhängig vom Schuhwerk deutlich weniger statische Aufladung erzeugt als Vinyl- oder Epoxidbodenbeläge.

Fazit: Aktueller Systemwiderstand erforderlich: < 35 Millionen Ohm (3,5 X 10 E7). Vorgeschlagene Anforderungen: Systemwiderstand < 25 Millionen Ohm und Körperspannung < 100 Volt.

SAUBERKEIT
Bei der Bestimmung der Kompatibilität zwischen Baumaterialien wie Bodenbelägen und Reinraumprozessen gibt es zahlreiche Überlegungen. Im Folgenden werden die wichtigsten Faktoren angesprochen: Ausgasung und Partikeltransfer. Der ESD- und Kontaminationskontrollberater Carl Newburg, Präsident von Microstat Laboratories und River's Edge Technical Services in Rochester, Minnesota, erklärt: "Ausgasung ist ein Maß für die Menge flüchtiger Chemikalien, die von einem Material freigesetzt werden, während es erhitzt wird. Kondensierbare flüchtige Rückstände (Condensable Volatile Residue, CVR), statischer Kopfraum und dynamischer Kopfraum sind typische Tests zur Messung der Ausgasung von Materialien. Die Testergebnisse geben Aufschluss über die Tendenz des Materials, Oberflächen in einer kontrollierten Umgebung mit luftgetragenen molekularen Verbindungen zu verunreinigen."

Die meisten Vinylbodenbeläge bestehen die strengen Ausgasungstests bei erhöhten Temperaturen nicht, da sie Weichmacher enthalten. Weichmacher sind problematisch, weil sie aus dem Bodenbelagsmaterial migrieren und in Reinraumanwendungen wie der Optik- und MR-Kopf-Herstellung erhebliche Kontaminationsprobleme verursachen können. Wir alle kennen die Migration von Weichmachern durch den so genannten "Neuwagengeruch". Dieser Geruch ist das Ergebnis der Ausgasung von Weichmachern aus all den verschiedenen Kunststoffen, die im Innenraum eines Autos verwendet werden. Ohne gründliche Tests wäre es schwierig, diese Weichmacherwanderung zu identifizieren und zu quantifizieren. Viele Hersteller von Bodenbelägen geben an, dass ihr Bodenbelag alle Anforderungen an die Ausgasung bei Raumtemperatur erfüllt, aber die meisten Experten für Kontaminationskontrolle glauben nicht, dass eine Prüfung bei Raumtemperatur ausreichend ist.

Bevor Sie einen Bodenbelag für die Verlegung festlegen, empfehlen wir, die Anwendung mit einem Experten für Kontaminationskontrolle und ESD zu besprechen. Als Faustregel gilt, dass leitfähige Gummiböden und leitfähige Epoxidböden bei Ausgasungstests bei erhöhten Temperaturen am besten abschneiden. Im Gegensatz zu Vinyl werden Gummi und Epoxidharz ohne Weichmacher hergestellt.

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN
Die meisten Reinraumböden werden mit Methoden verlegt, die einen fugenlosen Boden schaffen. Dies kann mit Epoxidbeschichtungen erreicht werden, da das Material in flüssiger Form auf den Boden aufgetragen wird und über die Oberfläche fließen kann. Der Nachteil nahtloser Epoxidbeschichtungen besteht darin, dass Reparaturen im Falle von Kratzern oder Rissen schwierig und zeitaufwändig sind. Die typische Aushärtungszeit für einen ESD-Epoxidharzboden liegt zwischen 24 und 72 Stunden, je nach Anzahl der Schichten. Wenn eine Reparatur in einem betrieblichen Reinraum durchgeführt wird, könnte das Epoxidharz während der Aushärtungszeit in seinem flüssigen Zustand Verunreinigungen oder Geruchsprobleme verursachen. Darüber hinaus erfordern Epoxidharzreparaturen in der Regel eine Art von abrasiver Bodenvorbereitung, um die Oberfläche für die Neubeschichtung vorzubereiten. Dabei können Partikel entstehen, die Armaturen und HEPA-Filter verunreinigen.

Gummi und Vinyl können auch ohne Nähte verlegt werden, indem man eine Technik verwendet, die als Nahtschweißen bezeichnet wird und bei der Lücken, die durch das Zusammenspiel von Plattenbelägen oder angrenzenden Fliesen entstehen, aufgefüllt und verschmolzen werden. Sowohl Fliesen als auch Bahnenware können nahtgeschweißt werden (ähnlich wie beim Verstemmen), aber die meisten Planer bevorzugen Bahnenware, da weniger Nähte zu schweißen sind. Die Schweißnähte von Kautschukböden sind im Vergleich zu Vinylschweißnähten weniger sichtbar, da Gummi im Gegensatz zu Vinyl nicht schrumpft. Gummi- und Vinylböden können mit einfachen Techniken, die keine abrasiven Bodenvorbereitungstechniken erfordern, leichter repariert werden als Epoxidharz. Leitfähige Kautschukböden können mit schnell trocknenden, druckempfindlichen Klebstoffen verlegt werden, die in der Regel in einem funktionierenden Reinraum aufgetragen werden können. Druckempfindliche Klebstoffe erlauben eine Begehung innerhalb einer Stunde nach der Reparatur.

ERGONOMIE
Von den drei gebräuchlichsten Bodenbelägen für Reinräume bietet Kautschuk die rutschfesteste Lauffläche, egal ob nass oder trocken. Gummi ist außerdem weicher und absorbiert Umgebungsgeräusche besser als harte Epoxid- und Vinyloberflächen. Obwohl er viel härter ist als herkömmlicher Gummi, der z. B. in Form von Anti-Ermüdungsmatten verwendet wird, kann Gummi beschädigt werden, wenn schwere Lasten darüber rollen. Im Vergleich zu Epoxidharz ist es auch schwieriger, schwere Regale mit einem Gewicht von mehreren tausend Pfund über Gummi zu rollen. In manchen Fällen kann Epoxidharz die einzige praktikable Bodenbelagsoption sein, da es zäh ist und rollende Lasten und verschüttete Chemikalien aufnehmen kann.

Fazit: Gummi bietet die ergonomischste Lösung.

VEREINFACHUNG DES AUSWAHLVERFAHRENS
Bei der Auswahl eines statikfreien Bodenbelags für kontrollierte Umgebungen ist in der Tat eine große Menge an technischen Informationen zu berücksichtigen - und es wäre kurzsichtig, dabei nach Abkürzungen zu suchen. Letztendlich sind die Schlüsselbegriffe Prävention und Schutz.

Um ESD-Problemen vorzubeugen, sollten Sie den Bodenbelag wählen, der den aktuellen und erwarteten Industriespezifikationen am besten entspricht. Es gibt zwar unterschiedliche Variablen, aber hier sind die Empfehlungen der Industrie für Reinräume und elektronische Fertigungsanlagen:

• Conductive Rubber, der einzige ESD-Bodenbelag, der als Klasse-0-qualifiziert zertifiziert ist, wird als ideal" eingestuft; er hat auch eine geringe Körperspannungserzeugung.
• Leitfähige Vinylfliesen und leitfähiges Epoxidharz können ebenfalls geeignet sein.
• Andere Bodenbeläge werden nicht empfohlen.

Was den Schutz anbelangt, so können Sie, wenn Sie von Anfang an klug planen, spätere kostspielige Haftungsprobleme vermeiden. Wir empfehlen eine Überprüfung des Bodens, um festzustellen, ob Ihr Boden sicher ist.

Kurz gesagt, wenn es um ESD-Böden in kontrollierten Umgebungen geht, ist es sinnvoll, maximale Kontrolle auszuüben.