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人因工程在半导体厂的应用2002-10-14 20:06:01 阅读： 335 次王茂骏 清华大学工业工程与工程管理系教授兼系主任 吴欣洁 清华大学工业工程与工程管理系博士班研究生 前言制造业中，重复性动作伤害（RMI，Repetitive Motion Injury）之问题，在国内外已广泛受到重视，以美国为例，由于不当的人因工程设计之设备及作业方式，所造成的骨骼肌肉伤害之赔偿金额高达每年两百亿美元。若加上一些间接的损失，如生产力下降、人员离职、士气低落、重新训练、公司形象受损，则可达到一千亿美金之损失。有鉴于此，加州政府已针对人因工程中，重复性动作伤害部分着手立法，其法令条文已被职业安全卫生法令委员会所采纳。 而美国一些半导体制造公司如Intel，HP，Motorola早在数年前即发现：现场作业人员有发生骨骼肌肉伤害的问题，也采取一些人因工程现场改善之措施与对策。因此，Semitech在S8-95中，对于人因工程在设备与现场操作方面，亦提出建议指引。国内也有几个著名的半导体厂，在发现现场作业人员有眼睛疲劳、骨骼肌肉伤害或全身疲劳等问题时，曾寻求我们给予人因工程方面的技术指导，以期经过人因工程的分析与改善后，能创造一个更具人性化的现场作业环境，进而提升整体工作绩效与工作生活品质。 一、人因工程的简介人因工程（Human Factors Engineering）或称人体工学，是探讨人类工作或日常生活中如何与工具、设备、机器及周遭环境之间互动的关系，以及如何去设计这些会影响到人的事物及环境。易言之，人因工程就是要去改善那些人们所常使用的器物与所处的周遭环境，使其与人本身的能力、本能极限与工作需求之间能有更好的配合，以求安全、省事、省力、快速、舒适、不易犯错、不会疲劳与正确等工作效益的提升。 换个角度来看，就是将人视为整个系统的一部份，除了技术外，为了发挥整个系统的预期功能，以及将人视为最有效的资源，再加上昂贵的人力成本，所以我们要研究人这个子系统，使其它的子系统与人类实体的、生理的、生物力学的、心理的、社会心理的、文化的因素兼容或适配，以发挥人的最大功能并使其不受伤害，这也就是人因工程的宗旨。 二、半导体厂的安全卫生问题 由经济部工业局工安快讯网页里的安卫产业在半导体工业之应用现况与趋势得知：半导体制造业潜在的安全卫生问题，并不亚于其它传统工业。一般可将半导体厂常见的潜在危害状况整理成三大类： (一).化学物质危害 半导体制程非常繁杂，使用的危险化学品也相当多，包括强酸、强碱、腐蚀性有机溶剂、有毒气体、自燃气体、或窒息气体等，如果这些危险化学物质泄漏出来，接触到人体会造成很大的伤害；也有可能因为这些物质产生化学变化，造成火灾爆炸等重大意外事故，例如去年十月联瑞电子六吋晶圆厂大火，是由酸毒废弃管道和真空帮浦室不明气体燃烧所引起。同年十一月天下电子四吋晶圆厂也因无尘室蚀刻区光阻去酸槽不明气体燃烧引发大火。 (二).幅射和静电危害 在半导体制程中所用的一些设备单元，例如离子植入机产生离子束、蚀刻机之RF产生器、水银蒸气灯产生的紫外线等皆有潜在产生游离或非游离幅射之危害。如果防护措施没做好，使人体曝露在辐射中过量，即会伤害到人体。游离幅射对曝露的人体具伤害细胞效应，而非游离幅射会造成眼睛与皮肤伤害，还可能引起令人恶厌之电效应干扰重要设备的功能操作，或发生静电火花等。 (三).机械危害 半导体制程有使用机械人与自动化操作之相关制程设备有潜在对相关人员发生机械危害，例如设备组件之功能异常与移动部份对人员所发生之撞击、切割、夹卷等机械性危害。这些存在于人机接口的危害因素，藉由深入的人机系统分析，可拟出具体的预防对策。 除了以上三类常见的潜在危害状况之外，还有一个长期影响着员工，却很少被主管阶级发现的潜在危害因素，就是和人因有关的危害因素。最近几年，这个问题已经逐渐显露，在工业安全科技28期之新竹科学园区六大行业之职业灾害比较分析得知：集成电路业失能伤害频率从83年到87年5月有逐年上升的趋势（只有84年到85年是下降的)，而且十四种职灾类型中，总计以”跌倒”（23%）发生的机率最高，其次为”与有害物质的接触”（19%）。可见”跌倒”在半导体业是一个很严重的问题，它不但涉及作业环境不良，也牵涉到作业员容易在厂房中因疲劳、疏忽而发生危险。也可以从实际和现场作业员工的访谈和问卷调查中，了解到和人因有关的问题；我们曾经针对国内半导体厂的作业员做了问卷调查，发现：在一年内，全厂超过一半以上的作业员，曾经感到肩膀、下背部或腰部、脚踝或脚感到疼痛，其严重程度也愈来愈不可忽视。 这些问题的根源在于：半导体制程仍需许多作业人员，这些人员多半是做人工物料搬运的作业，例如搬运晶圆盒到指定制程的机台、抬举晶圆盒上下机台、搬运晶圆盒到测试机台等，还有一些人员做检验、维修的工作，都涉及到人与系统接口的问题。人与系统接口做的不好，容易使人员操作不便、不舒适、费时、费力等身体的疲劳或骨骼肌肉的伤害，甚至容易造成疏忽（跌倒）、错误（不正确的姿势和操作）等人因工程相关的问题。本文内容即着重在：如何应用人因工程在半导体厂，以避免和人因有关的危害因素，改善工作人员的健康、安全、舒适，以及人和系统的生产力。 三、目前与人因工程有关的半导体安全指导方针 目前世上最知名也最完整的人因工程有关的半导体安全指导方针，首推Semitech所制订的SEMI S8-95。它对人因工程在半导体制造设备与现场操作方面，提出许多建议指引。它包含人因设计的原则、半导体制造设备的考量，若能遵循此指导方针，就能适当地整合使用者和设备在生产半导体的环境里，发挥最大的效益。SEMI S8-95的主要内容有：人与系统的整合原则、一般的指导方针、工作场所设计、保养和服务设计、抬举力量和物料搬运规范、危险警戒和警报、控制和显示器、使用者与计算机的接口、人体计测资源的资料、人因资源的资料、人工物料搬运资源的资料、三层评量系统等等。 在实际运用以上的指导方针时，必须谨慎小心，不可以一味地采用其数据资料；因为这些数据资料从哪个群体收集得来的，会影响人因资料汇总在参考文件和规格说明，例如欧美的人体尺寸资料就不适用于台湾。所以，当资料需要解读或应用时，都应咨询人因工程的专家。 四、应用人因工程的方法做现场诊断评估 整个人因工程的研究方法是以流行病学 ( Epidemiology )、生理学( Physiology )、心理学 ( Psychology ) 和心理物理学 ( Psychophysics ) 四者为基础背景，透过有系统的利用人类的能力、本能极限、行为和动机等相关信息来设计事物和流程以及所属的环境。而相关信息的收集通常需要透过不断的实验和统计分析才能得到，故相当的统计和实验设计的训练亦不可或缺的。 以我们的经验来说，在半导体厂评估现场的人因问题时，通常会用到下列的几个方法，提供诊断和改善的依据： （一）人体计测资料参考使用 由于人员的工作绩效以及方便性、舒适感等，常受到使用的器具和设备所影响。器具和设备之设计若未考虑人体的各种特征（如身体各部位尺寸、伸展可及范围），使用起来必然费力、易错，除了工作绩效不良之外，甚至对身体造成伤害。在设计器具、设备、工作站、作业空间时，若能考虑使用族群的人体计测资料，不但可以增加舒适感、提高工作绩效，同时可以减少因工作而造成的伤害。目前，国内已经完成了劳工、军人、大专及高中生的人体计测数据库（三百零八项量测项目），中小学生的人体计测计画正在进行中。这个本土化人体计测数据库的应用范围很广，举凡食衣住行育乐各方面的器物、用具、装备、设施等的设计规划，都可以因为参考了此数据库恰当的尺寸项目而更适合我们国人使用，相信它将带给社会大众很大的好处。 为了使半导体机器设备的安置更适合厂内使用者的人体尺寸，有必要对半导体厂内的工作人员（作业员、工程师等），进行人体尺寸资料的量测与收集。国内半导体公司如台积电等，亦拥有自己员工的人体计测数据库。量测的尺寸项目，可以根据厂内的工作型态、现场特殊的作业、使用的器具、衣物、设备等需求，拟定量测的项目。 图一：参考SEMI S8-95相关信息1后所制定的几个站姿的量测项目 图一是参考SEMI S8-95相关信息1后所制定的几个站姿的量测项目。计有：身高、肩高、眼高、肘高等七项。国内在国科会与劳委会的支持下，亦完成劳工人体计测数据库，相关于图一的几项尺寸，整理于表一中。收集完量测的数据后，应建立人体计测数据库，可做日后的增加、查询、维护等工作。此数据库的应用范围很广，例如：可用在器物的设计上，像是手套、鞋子、防尘衣、头套等；可作为日后规划新厂时，设计工作站、作业空间的依据。同时在选择、订购机台时，也应根据人体计测数据库的尺寸资料，订定出适合厂内作业人员使用的规格，要求厂商配合。这样一来，可预防或减少工作伤害，还可提高工作绩效，增进产能及效益。 站姿的量測項目第5百分位女性第95百分位男性1.垂直方向指尖可及高度2.垂直方向握拳中心可及高度3.身高4.眼高5.肩高6.肘高7.指節高181.71cm117.38cm164.40cm137.00cm120.61cm91.55cm65.28cm181.71cm219.06cm185.89cm173.21cm152.60cm115.95cm83.31cm表一：站姿的量测项目与国内劳工(1865岁)人体计测尺寸资料 （二）晶圆盒提举能力测定 既然在半导体厂还有许多人员从事人工物料搬运的作业，就必须先了解目前作业员在十二小时之作业时间下的最大可承受抬举负荷（MAWL），而不是直接拿国外的数据来用。较快速有效的评估方法是心理物理法。需根据人体计测资料，抽样出几个具代表性的作业员当作实验的受试者，可以同时设计几个不同的变项，如晶圆盒握把形状、手的握持姿势，探讨何种组合可得到最大提举能力。利用主观评比法，获知受试者的主观感受；再经由心搏率的量测，得知每位受试者于实验过程中所承受的负荷与努力程度。 受试者进行的实验顺序，都是依照事先排好的随机程序进行，每一位受试者报到后的详细过程如下： 阅读心理物理法指导语并做热身操：每次实验前再次阅读心理物理法指导语的目的是提醒受试者在执行心理物理法的过程中所需注意的事项。 进行二十分钟的提举作业：在这期间，受试者必须根据个人的感受调整晶圆盒内的重量（若觉得太重则将晶圆盒内的砝码取出，反之则添加砝码至盒内），直到受试者找到自己可以承受的最大重量为止。 穿戴表型心搏率侦测器。根据个人所决定之最大提举重量再进行十分钟的标准提举作业（最佳的提举作业条件）：在这十分钟的提举作业中，利用表型心搏率侦测器记录提举过程中受试者的心搏率。 最后，卸下表型心搏率侦测器，并填写主观评比量表。整个实验完成后，取出样本里第二十五百分位最大提举重量，当作最大可接受的提举重量（实际的意义是：有75%的受试者可以承受这种重量）。我们在实验室里，针对十二小时之作业时间下MAWL的研究指出： 99%女性可接受之肘高至肩高的MAWL值为6.66公斤，75%女性可接受之肘高至肩高的MAWL值为10.65公斤；然而，目前八吋晶圆盒装满24片晶圆约重5.8公斤，若抬举作业条件适当的话，一般女性作业员应该都可以胜任。 （三）晶圆提举作业危害分析 人工物料搬运的问题中，因为搬运的工作状况差异很大，各种作业条件下的最大可接受抬举重量也是一个很重要的议题。作业员在不良的作业条件下，提举能力会变差，此时若搬运过重的物料，很容易导致下背部伤害。所以，决定各种现场作业条件下，最大可接受的抬举重量为何是很重要的，藉此可以判断目前所搬运的作业是否过重。 评估各种作业条件下的最大可接受抬举重量，比较完整的规范是：美国国家职业安全与卫生研究所（NIOSH）在1991年所修订的人工抬举作业的规范。由此规范所提出的建议提举重量（RWL）是考虑了：人的提举能力（负荷常数：W）、水平搬运距离（H）、垂直搬运距离（V）、物体垂直位移（D）、搬运频率（F）、躯干扭转（A）和握持接口的好坏（C），如图二所示。为了求得较具代表性的数据，必须随机抽样数个工作区域，连续观察数个工作天，完整地记录人员在各种机台间抬举或搬运物料的次数，并收集必要的现场资料，以期得到这些作业条件下，建议的提举重量（RWL），最后将其与目前的提举物料的重量做比较。 图二：评估RWL的几个考虑因素比较的抬举指针用LI表示，即平均物料重量除以RWL。如果LI大于1，表示此抬举作业需要管理和工程改善。若LI大于3，则此工作条件太差，不被允许。因为每一个工作区域内，有几个不同的抬举作业条件（机台种类不同），所以有各条件下的RWL和LI，而整个工作区域有一个复合作业的建议抬举重量（CRWL）和复合作业的抬举指针（CLI）。可以用女性可承受度表示在目前的抬举作业环境下，有百分之几的女性可以胜任。 （四）工作负荷分析 除了抬举作业以外，尚有不同的工作类型会导致全身疲劳，由曾经针对国内半导体厂的员工所做的问卷调查显示：将近一半的作业员，几乎每天下班后都会感到全身精疲力竭。至于客观的评估全身疲劳程度之方法，一般是用生理量测法，量测员工持续工作下的摄氧量和心搏率。为了求得较具代表性的量测值，应该随机抽样数个工作区域，不定时地随机挑选作业员，量测其上午、中午、下午的摄氧量和心搏率，如图三。每次量测都持续约30分钟，并且记录这30分钟的工作内容。 图三：量测摄氧量和心跳率以评估全身疲劳 得到的摄氧量数据可以求得各种工作区域里，每人每天的平均能量消耗，看看是否超过标准的能量消耗上限，每分钟0.7公升。而每天的平均心搏率可以得到心搏负荷指针，即（工作的心搏率休息的心搏率）（最大心搏率休息的心搏率）的百分率，来判断该工作的生理负荷量。心搏负荷指针若大于30%，则表示该工作的生理负荷相当重，必须减轻工作负荷或采取其它改善行动。 （五）各关节部位受力分析 生物力学分析是对于作业员在不同工作姿势下身体各部位所受的力作分析，是属于肢体局部负荷的分析。在不同机台的工作环境下，作业员会有不同抬举芯片盒的姿势，需针对某一机台的连续搬运芯片盒的过程中，选出最具危险性的姿势，来分析身体各个关节与下背部所承受的力量。 接着需透过在现场对该姿势各个关节点角度的量测，与必要资料的搜集，才能作该姿势下各个关节点的受力计算；可利用密西根大学所发展的二维空间静态受力程序软件，辅助计算各个关节点和下背部的受力大小。当下背部受力超过3400牛顿时，应立刻对该作业环境采取改善行动。各个关节点的受力要使75%以上的作业员都可以承受才行。 （六）视觉疲劳分析 国内多数半导体厂，均发现员工会抱怨眼睛疲劳，尤其是人工视觉检验员最为严重。我们曾深入调查其原因，发现眼睛长时间固定对焦在小范围内，是最主要因素。至于眼睛疲劳的程度，就必须由专业的方法来衡量。 常用的视觉疲劳量测法，有以下四种：(1)眼球运动机能的量测，包括调节、聚合等。(2)视觉闪光融合阈值（CFF）的变化。(3)视觉绩效的量测。(4)主观视觉疲劳的评量等。 除了量测目前工作状况的疲劳程度之外，还可以运用实验设计的方法，改变几个重要影响因素，研究出在哪些与工作相关之因素(如照明条件、视觉环境、工作和休息时间等)组合下，最不会造成眼睛疲劳，而且也可以提高效率。 （七）基准线风险认定与检核表评估 BRIEF（Baseline Risk Identification of Ergonomic Factors）是人因工程因素基准线风险认定的缩写，运用它得以快速地确认存在工作场所中的人因工程风险因素。所评估的部位包括手与手腕、手臂与肩膀、颈部、背部以及腿部，而评估的准则在BRIEF调查表有详细的记载。 为了避免直接观察会有所遗漏，需透过摄影机将作业员的工作过程拍摄成录像带，再反复播放录像带，仔细察看作业员的所有动作是否为高风险因素。若某动作符合BRIEF所定义的高风险因素时，在调查表上将涉及到的身体部位标记出来，最后统计各部位被标记的次数，两次以上则被认为是高风险部位；此身体部位很可能会遭受伤害。 另一个快速评估风险的方法是利用检核表，人因检核表主要是由许多疑问句组成，让检核人员回答是或否；回答是的代表该项目没有安全上的顾虑，回答否的表示需针对此项目加以改善，避免发生安全卫生上的危害。 检核表必需由工安经验非常丰富的人设计，经过严谨的程序产生；目前较完备的为OSHA所发展的一套与人因工程有关的安全卫生检核表，提醒工安人员检核的种类包括：人工物料搬运、抬举作业或工作方法、工作站设计、屏幕显示器与键盘、手工具的使用等。 五、半导体作业现场一般改善建议 做了长时间的现场分析与评估之后，结果是大家最想知道的。但是人因工程科技最大的贡献在于：根据这些分析的结果，提出可能的改善建议。这也是所有人因工程科技用在半导体产业最困难的一部分，因为要做出良好有效又可行的建议，不但需要独特的人因工程科技教育，也需要有其它专业知识背景为辅助，如心理学、工程学、职业安全学、复健和医学等。 当然，依据不同的半导体厂现场评估结果，会有不同的改善建议；所以在此只能提出一些通用的改善原则，条列如下： 为了避免弯身和挺身所产生的额外体能消耗，需要搬运的物料不要超过肩高，最好位于作业员站立的手肘高附近。 适当的姿势是上身保持垂直，手肘弯曲成90度(上臂垂直、前臂水平)。 物料放置的位置不要超过作业员水平方向握拳中心的可及深度，以避免作业员上身往前倾斜。 若机台接口过高，而必须使用台阶时，根据人因工程的阶梯设计原则，建议每阶的高度在20公分以内。 现场作业人员，必须接受适当的人因教育训练，避免不当姿势或观念导致的伤害。 调整机台的布置，使员工不用疲于奔波，并在不影响动线之原则上，提供少许座椅以便休息。 使无尘衣和无尘鞋的尺寸适合人员的身体，加厚鞋底，并使鞋垫与脚底形状吻合，以便提供更好的支撑效果。 不要让每位作业员随时都在忙，必须尽可能平衡工作负荷给每一个人，让大家都有休息的机会。 眼睛避免长时间检视尺寸极微小的工件，在工作周期当中，多次短时间的休息比少数长时间的休息对眼睛较好。 VDT或Poseidon工作站之显示器（屏幕）高度，不论站姿或坐姿都以眼睛水平线对应到屏幕上缘为原则。 六、未来的趋势 技术的进步不外希望人类的生活品质会更好，生活品质要更好，就不能忽略使用者本身已存在的特性或限制，考虑这些特性或限制并应用在系统或产品的设计上，才能发挥技术本身的预期功能提高其附加价值。事实上，人因工程的发展之初就与技术的发展不可分割；可想象的，人因工程的发展就是为了倍增科技本身所创造的价值。伴随着技术和经济的持续发展，相信未来对于一个能够保障安全、健康、舒适及人性化之工作场所与环境的要求会日渐迫切；而以人员为中心做现场工作设计，也将成为全面提升工作及生活品质之必要途径。 参考文献： 工业安全卫生技术服务团，安卫产业在半导体工业之应用现况与趋势，经济部工业局工业安全卫生技术服务团网页里工安快讯文件，民国87年。 徐启铭、周煌杰，”半导体业安全卫生问题浅论”， 工业安全科技28期，27页，民国87年10月。 林世昌、余荣彬、吕甄玲，”新竹科学园区六大行业之职业灾害比较分析”，工业安全科技28期，1113页，民国87年10月。