针对数据中心的气体与颗粒污染物指南

针对数据中心的气体与颗粒污染物指南美国采暖、制冷与空调工程师协会（ASHRAE）技术委员会（TC）白皮书9.9任务关键型设施、技术空间和电子设备这本有关数据中心空气污染物的ASHRAR白皮书由TC9.9委员会的成员编写，其中包括以下IT设备制造商：AMD、Cisco、Cray、Dell、EMC、Hitachi、HP、IBM、Intel、Seagate、SGI和Sun。执行摘要ASHRARTC9.9委员会最近出版了2008ASHRAE数据通信设备环境指南，该指南扩大了温湿度范围，从而增强了数据中心设施操作的灵活性，其主要目的是减少能耗。该指南所推荐的温度范围为18°C（64.4°F）到27°C（80.6°F）。湿度也被限制在60%以内，而露点温度的下限和上限则分别为5.5°C（41.9°F）和15°C（59°F）。最近，大量的相关出版物指出，在含硫气体较高的数据中心中，硬件故障率有所上升。因此，本白皮书有必要提出以下建议：除了控制温湿度以外，还应对粉尘与气体污染物进行监控。对于地处工厂和/或其他环境污染源附近的数据中心而言，这些额外的环境措施尤其重要。空气污染物对数据中心设备造成的影响主要分为三类：化学影响、机械影响和电学影响。电路板中的铜蠕变腐蚀和小型表面安装组件中的镀银腐蚀是两种常见的化学故障。机械影响包括散热片污染、光信号干扰、摩擦力增大等。电学影响包括电路阻抗和电弧的变化等。请注意，缩小电路板功能部件的尺寸并实现组件的小型化是改善硬件性能的必要条件，但是也会使硬件更易受到数据中心环境中的污染物的影响。制造商们一直致力于在不断缩小功能部件尺寸的同时维持硬件的可靠性，却又无需采取额外的高成本措施来加强所有的IT设备。他们的大多数IT设备都并非安装在腐蚀性环境中，腐蚀性环境会使设备面临更高的故障风险。大多数数据中心都是精心设计而成的，且都位于相对清洁的环境中，其中的大多数污染物都是无害的。大多数数据中心都不会接触到会导致硬件发生故障的颗粒或气体污染物。本书主要针对少数的数据中心编写而成，这些数据中心可能会因户外颗粒和/或气体污染物的进入而处于有害环境中。少数情况下，污染物可能形成于数据中心内部。通过监控数据中心的粉尘和气体污染物来维持硬件的可靠性，这是数据中心管理员的职责。数据中心的清洁程度必须达到ISO14644-18级的标准。一般而言，只要采用以下所列的相应过滤方案，就能达到这样的清洁级别：1.可按ANSI/ASHRAE标准127-2007“MethodofTestingforRatingComputerandDataProcessingRoomUnitaryAirConditioners”中的建议，使用MERV8过滤器不断地过滤室内空气。2.可按标题为“ParticulateandGaseousContaminationinDatacomEnvironments”的ASHRAE书籍中的建议，使用MERV11或MERV13过滤器过滤进入数据中心的空气。应当减少数据中心内部的粉尘源。气体污染物应符合已修改的ANSI/ISA-71.04-1985安全级别G1，以满足以下条件：1.铜反应率低于300C/月，而且2.银反应率低于300C/月。对于含有大量气体污染物的数据中心，强烈建议对进入数据中心的空气及数据中心内部的空气进行气相过滤。要维持IT设备的高度可靠性，并避免保修范围以外的硬件更换成本，请遵守此处所列的要求，这一点至关重要。1简介本白皮书旨在描述控制数据中心空气污染物（颗粒和气体）的必要性，并指定了建议的可接受限值。由于晶体管的尺寸不断缩小，而且电信号为完成指定任务而必须传递的距离也在日渐缩短，因此计算机的性能正在不断提高。于是便产生了这样的最终结果：所有电子组件都朝着小型化发展，而且它们的封装密度也越来越大，这对硬件可靠性造成了以下不利影响：•单位体积的热负荷增大，因此需要更多气流，以使硬件温度保持在可接受的限值范围内。气流的增加使电子设备更易受到堆积粉尘的不利影响，还会带来更多的气体污染物。•较大的装封密度不能始终确保组件的密封性，从而使电子设备更易受到湿气、粉尘和气体污染物的不利影响。•电压各异的印刷电路板功能部件之间的距离越来越小，这加大了粉尘与气体引发离子迁移从而导致电路短路的可能性。•由于各组件的功能部件的大小越来越接近腐蚀产物，因此这些组件变得更易受到腐蚀的不良影响。最近，大量的相关出版物（Reid2007；Cullen2004；Veale；Sahu2007；Schueller2007；Hillman；Xu；Mazurkiewicz2006）指出，在含有大量含硫气体的数据中心中，硬件故障率有所上升。因此，本白皮书有必要提出以下建议：除了控制温湿度以外，还应对粉尘与气体污染物进行监控。要减少最近最常见的两种故障（电路板中的铜蠕变腐蚀和小型表面安装组件中的镀银腐蚀），就需要采取这些附加的环境措施：1.最新的文献已对电路板中的铜蠕变腐蚀作了相关报告（Cullen2004；Mazurkiewicz2006；Mukadam2006；Scheller2007；Xu2007）。易发生铜蠕变腐蚀的两种常见电路板类型为沉银板（ImAg）和使用有机保焊剂（OSP）技术的电路板。含硫气体和湿气能够腐蚀电路板上所有暴露在外的镀铜。所生成的腐蚀产物（硫化铜）能够引起电路板蠕变，并会造成临近的相隔功能部件短路。2.一些最新的文献已对含银的小型表面安装组件的腐蚀作了相关报告（Hillman；Reid2007）。含硫气体即使在干燥情况下也能腐蚀银，并生成硫化银腐蚀产物；硫化银大量聚集后会产生机械压力，从而破坏封装的完整性。封装的完整性受到破坏后，下层的银会暴露在外，发生进一步的腐蚀，直到部件中的所有银全都耗尽，最终导致断路。如图1所示，在低倍显微镜下，硬件故障区域的硫化银腐蚀产物常呈针状或结核状。请注意，缩小电路板功能部件的尺寸并实现组件的小型化是改善硬件性能的必要条件，但是也会使硬件更易受到数据中心环境中的腐蚀颗粒和气体的侵袭。制造商们一直致力于维持不断缩小的硬件的可靠性。因此，有必要控制数据中心的空气污染物并指定其建议的可接受限值，这已成为确保IT设备持续可靠运行的关键所在。2空气粉尘图1：示例－在含有大量含硫气体的环境中，组件上的镀银被腐蚀并形成了硫化银“花朵”，从而造成组件故障。由粉尘引起的故障包括（但不局限于）以下几种（ASHRAE2009a）：•机械影响：这些影响包括阻碍冷却气流、干扰移动部件、磨损、光干涉、互联干扰、表面变形（例如，磁性媒体）以及其他的类似影响。•化学影响：落在印刷电路板上的粉尘会导致组件腐蚀和/或临近的相隔功能部件短路。•电学影响：这些影响包括阻抗变化和电子电路导体发生桥接。粉尘无处不在。即便采取最好的过滤措施，数据中心内还是会有粉尘，这些粉尘会落在电子硬件上。幸运的是，大多数粉尘都是无害的。只有在少数情况下，粉尘才会侵蚀电子硬件。一般而言，数据中心内的有害粉尘中均含有大量离子，比如氯盐。这些有害粉尘主要来自直径为2.5-15μm的室外粗尘以及直径为0.1-2.5μm的室外微尘（Comizzoli1993）。粗尘颗粒中包含各种矿物性和生物性污染物（大多是因风蚀而形成的），可在空气中停留数日。微尘颗粒一般是由矿物燃料燃烧以及火山活动所形成的，可在空气中停留数年。各种巨大的盐水体也是数据中心空气粉尘污染物的一个主要来源。沿海地区的强风可将海盐向内陆方向吹进10公里（6英里）或者更远，而这些海盐能够毁坏这一范围内的电子设备（Bennett1969；Crossland1973）。从环境中吸收湿气是粉尘损害印刷电路板可靠性的途径之一。湿尘中的离子污染物会降低印刷电路板表面的绝缘阻抗，更糟糕的是，它们还会通过离子迁移导致临近的相隔功能部件短路。图2是一个印刷电路板上停留的粉尘导致铜腐蚀的示例。潮解相对湿度是指，粉尘吸收足够的水分变湿从而导致腐蚀和/或离子迁移时的相对湿度，这一湿度决定了粉尘的腐蚀性。当粉尘的潮解相对湿度高于数据中心的相对湿度时，粉尘处于干燥状态，不会造成腐蚀或者离子迁移。然而，在少数情况下，当粉尘的潮解相对湿度低于数据中心的相对湿度时，粉尘就会吸收湿气而变湿并导致腐蚀和/或离子迁移，从而降低硬件可靠性。Comizzoli等人在1993年所进行的某项研究显示，在全球各地，由停留在印刷电路板上的粉尘而引起的泄漏电流都会随着相对湿度的提高而呈现指数级的增长。这项研究使我们得到了以下结论：将数据中心的相对湿度保持在60%以下，这样可以将由停留的微尘而引发的泄漏电流保持在可接受的次μA级范围内。　3图2：由含有大量氯化镁的湿离子粉尘造成的镀通孔腐蚀。少数情况下，数据中心内部也可能会产生有害粉尘。增湿器会通过蒸发空气中的水滴来提高室内湿度，如果加入增湿器的水含盐量高，而这些盐的潮解相对湿度又低于数据中心的相对湿度，就可能造成有害的室内粉尘污染。即使这些盐的浓度很低，也会造成严重的腐蚀和离子迁移威胁。通过使用逆向渗透法（ASHRAE2009a）来处理增湿器中的水，可以缓减这些与增湿器相关的腐蚀问题。来自纸张、硬纸板或者纺织品的纤维性粉尘会污染散热片，并中断设备的冷却过程。数据中心操作员应避免在数据中心内大量使用这些材料。例如，新设备应在数据中心外拆箱，应将大量的打印机放置在其他位置。总的说来，大多数粉尘都是无害的。少数情况下，当停留的粉尘的潮解相对湿度低于数据中心的相对湿度时，就有可能出现腐蚀和/或离子迁移问题。一般而言，数据中心的相对湿度必须保持在60%以下，以避免任何灰尘腐蚀硬件。锌晶须是颗粒污染物对硬件可靠性造成严重危害的另一种途径，它是数据中心内最常见的导电颗粒。为了防止腐蚀，一些高架地板钢砖的底部都会镀上锌。支撑钢砖的纵梁和基座也会镀上锌。这些锌可能是通过电镀或热浸镀锌方式镀上去的。尽管锌晶须在这两种镀锌方式下都有可能出现，但是电镀锌上更易产生晶须（Brusse2004；Lahtinen2008）。有时，锌晶须可长达1至2毫米，在拆卸钢砖或拉动/拆卸地下电缆时，钢砖会被弄乱，这时锌晶须可能会发生移动并暴露在空气中，从而威胁到IT设备。如果IT设备吸入锌晶须，电压高于25V的电路中可能会出现短路、电弧、信号紊乱或者灾难性故障（Miller2007）。有一种非常简单的锌晶须探测方式，这就是使用手电筒。拆下一块高架地板砖，将其立于光线较弱的区域中。打开手电筒，以45°角扫射钢砖底部。在亮光中闪烁的小斑点可能就是锌晶须。为了确认是否存在锌晶须，应当使用碳胶标签收集标本并在扫描电子显微镜（SEM）下查看。如果存在锌晶须，就应当采取补救措施，其中包括更换被污染的高架地板砖并聘请专业人士对数据中心进行清理。ISO14644-1已成为全球性的首要标准，用于根据空气中的颗粒浓度对空气清洁程度进行分级。下面的表1提供了各个ISO等级的最大浓度级别（ASHRAE2009a）。数据中心的清洁度必须满足ISO8级标准，同时还必须严格遵守95%的置信上限（Ortiz2006）。对于没有安装节能装置的数据中心，只需采用以下过滤方式，就能轻松地达到ISO8级清洁标准：1.可按ANSI/ASHRAE标准127-2007“MethodofTestingforRatingComputerandDataProcessingroomUnitaryAirConditioners”中的建议，使用MERV8过滤器不断地过滤室内空气。2.可按标题为“ParticulateandGaseousContaminationinDatacomEnvironments”的ASHRAE书籍中的建议，使用MERV11或MERV13过滤器过滤进入数据中心的空气。（ASHRAE2009a）4对于配有空气侧节能装置的数据中心，为达到ISO8级清洁标准，应根据该数据中心的特定情况来选择过滤器。表1：ISO14644-1空气清洁度分级情况与允许的最大颗粒浓度（颗粒数/m3）空气中的最大颗粒数（每立方米中颗粒尺寸等于或大于指定尺寸的颗粒数）颗粒大小ISO等级0.