Power Tester功率循环测试仪

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关于MicReD


MicReD于1997在匈牙利布达佩斯成立,2008被Mentor Graphics收购,并入到MAD事业部;Mentor是电子设计自动化技术的领导产商,它提供完整的软件和硬件设计解决方案,让客户能在短时间内,以最低的成本,在市场上推出功能强大的电子产品。当今电路板与半导体元件变得更加复杂,并随着深亚微米工艺技术在系统单芯片设计深入应用,要把一个具有创意的想法转换成市场上的产品,其中的困难度已大幅增加;为此Mentor提供了技术创新的产品与完整解决方案,让工程师得以克服他们所面临的设计挑战。

2016年底Mentor Graphis被Siemens收购,MAD事业部并入到Simcenter产品线。西门子工业软件近年来持续收购扩充新的产品线,形成多学科,多领域,多部门,多视角,围绕“工业4.0”及“数字化双胞胎”的全线解决方案。Siemens Simcenter整合了Mentor的电子散热仿真和测试,流体仿真等解决方案。


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Power Tester产品概述


Ø  Power Tester 功率循环实验测试设备是在 T3Ster 瞬态热测试系统上发展而来的,T3Ster 系统是一个智能化的瞬态热测试系统,它由硬件和软件组成,专业的测量半导体器件的热学属性;T3Ster 系统是一个计算机控制的设备,它与 PC 一起使用,可以对瞬态热测试进行控制,并通过 T3Ster-Master 软件对瞬态热测试的结果进行评估和分析。设备能够对被测的半导体器件施加预先设置的加热功率,并记录半导体器件在这个加热功率下的复杂的热学反应。通过 T3Ster-Master 软件拥有对测试后的原始数据,也就是温度随时间的瞬态变化曲线,进行分析和处理的能力,从而将热流路径上各层材料的热阻和热容的特性,包括半导体器件封装内部的 Die Chip、Die Attach、Lead Frame、Insulator、底壳金属散热器和封装外部的导热硅脂和热沉的热阻和热容的特性,通过结构函数非常详细的呈现出来。Power Tester 带两套软件,一套是Power Tester后处理软件,一套是 T3Ster Master软件。Power Tester设备分析和处理的结果可以进一步与半导体器件的仿真结果相比较,对仿真模型进行修正,从而提高设计能力。


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Ø  Power Tester首次同时集成了自动功率循环、热测试以及结构函数分析功能,客户只需要一个平台就能够在线器件进行热测试及可靠性研究(一机两用:一种设备两种用途,提高设备性价比)。


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Ø  Power Tester在功率循环过程中实时监控电流(包括栅极电流)、电压以及结温等参数,并定期执行热瞬态测试,利用结构函数分析循环过程中封装结构的改变和缺陷等


Ø  Power Tester可以用于帮助客户加强以及加速封装结构研发、可靠性测试以及可靠性筛选等工作


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Ø  Power Tester可以帮助用户设计更加可靠的电子封装产品。Power Tester提供的特性化测试数据,可以直接导出给热仿真软件FloTHERM/FloEFD(通过calibration接口),利用实测结果来实现模型自动校准功能,帮助用户得到精确的,符合实际的仿真模型。


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Ø  Power Tester可以帮助用户获得功率电子器件在真实应用条件下的使用寿命。

 

Ø  Power Tester 功率循环测试设备既可以对包括 IGBT 器件在内的电力电子器件进行功率循环测试即对被测电力电子器件施加应力测试,还可以通过瞬态热测试对包括IGBT 器件在内的电力电子器件进行热特性测量。特别是在功率循环测试中通过周期性进行的瞬态热测试得到的结构函数,和因为 Power Tester 功率循环测试设备监控指标值超标而触发的瞬态热测试得到的结构函数,可以清晰的显示出随着功率循环测试的进行,包括 IGBT 器件在内的电力电子器件内部的降级过程(如下图所示);利用结构函数分析循环过程中封装结构的改变和缺陷等,可以实时、在线式的对器件失效原因进行确认,而并不需要将被测器件转移到实验室中进行失效分析,保证测试结果的精度及准确性;这样可以大大减少可靠性测试时间,甚至缩短总的测试时间为原来测试时间的1/10


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结构函数可以清晰的显示出随着功率循环测试的进行,包括 IGBT 器件在内的电力电子器件内部的降级过程

图片中显示出了Die attach部分的热阻在20000次功率循环后,显著降级、变化过程

 

Ø  Power Tester 功率循环测试设备还可以测试功率晶体管,功率二极管,SiCGaN材料的MOSFET IGBT等功率电力电子器件。测试出来的结构函数,路径的每个部分代表热量遇到的物理结构; 物理结构与RC路径的各部分之间存在相关性。

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Power Tester 1800A 功率循环测试设备概述


Power Tester 1800A 功率循环测试设备是一种独特的设备,它是一个工业化的解决方案,与传统的、单一功能的功率循环测试设备相比有很大的不同并具有极大的优势。

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备既可以对包括 IGBT 器件在内的电力电子器件进行功率循环测试即对被测电力电子器件施加应力测试,还可以通过瞬态热测试对包括IGBT 器件在内的电力电子器件进行热特性测量。特别是在功率循环测试中通过周期性进行的瞬态热测试得到的结构函数,和因为 Power Tester 1800A功率循环测试设备监控指标值超标而触发的瞬态热测试得到的结构函数,可以清晰的显示出随着功率循环测试的进行,包括 IGBT 器件在内的电力电子器件内部的降级过程。此外,Power Tester 1800A功率循环测试设备还可以测试功率晶体管,功率二极管,MOSFET 和其他功率电力电子器件。


Power Tester 1800A功率循环测试设备电源部分的设计采用了 3 通道的架构,可以同时并行输出 3 路加热电流。当测试设备工作在 3 通道架构下时,可以同时输出 3 路最大为 600A 的加热电流,等效于 3 个独立的 600A 的电流源。在满足 VCE 器件导通电压总和最大为 12V 的情况下,可以对最多为 3X4=12 个的 IGBT 器件同时进行功率循环测试或者进行瞬态热测试,扩展了测试设备的能力、利用率和生产效率。

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备具有可靠、方便、准确的对包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件进行温度敏感参数的测量和校准的能力。

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备拥有 7 个温度测量点,分别位于:

1、 左、右冷板的出水口,测量出水口的温度,使用 PT100 温度传感器,0.1°C 分辨率, 精度+1% + 0.5°C;

2、 左、右冷板上,测量被测半导体器件的壳温,使用 PT100 温度传感器,0.1°C 分辨率,精度+1% + 0.5°C;

另外还有 3 个温度传感器的输入端,用来测量 IGBT 器件封装的温度,可以使用嵌入式的 NTC 或者热电偶;精度由温度传感器决定;可以在功率循环测试中和瞬态热测试中测量使用;


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冷板尺寸是 400mmX300mm

1)左板

      用于K-系数测试

      需要外部的温控循环设备(推荐Julabo)

2)右板

      用于功率循环

      需要外部的冷水机或者循环水

      电气阀(自动控制流量开/关)

      可配置冷却液流量 (手动)

3)样品固定夹具

      每块冷板上配备有可移动的导轨,导轨上有压紧杆。

      可以将器件固定在冷板上任意位置.

4)液体泄漏保护

       内嵌液体探测器,配备泄漏排水管

5)通过T型阀门,用户可以使用自己的液冷板,用户可以自行定制化,或者找我司定制化

6)PWT 600A和PWT2400A不包含液冷板,用户可以使用自己的液冷板;用户可以自行定制化,或者找我司定制化

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Power Tester 1800A功率循环测试设备由于采用了 3 个电流通道的架构,因此设备可以在高达 1800A 加热电流的情况下对单一的 IGBT 器件进行测试;还可以在 3 个电流通道,每个电流通道最大为 600A,在满足 VCE 器件导通电压总和最大为 12V 的情况下,可以对最多为 3X4=12 个的 IGBT 器件同时进行功率循环测试或者进行瞬态热测试。当 3X4=12 个独立的 IGBT 器件同时进行测试时,软件中每个电流通道关于时间的参数必须设置成一致,此时设备运行在同步的工作模式下。

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备数据测试及采集的能力如下:

1、 具有 3 个测试通道用来采集功率循环测试和瞬态热测试的原始数据;

2、 每个测试通道具有±12V 的电压输入范围;

3、 每个测试通道具有最高 16µV 的电压分辨率,对应结温测试精度为 0.01℃;

4、 每个测试通道电压信号的采样分辨率为 1µs;

5、 高精度和连续的采样确保作为循环次数和/或者测试时间的函数的 IGBT 器件的导通电压 VCE 和门电流 IGATE 进行实时在线监控;

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图:正在进行功率循环测试的 IGBT 器件


Power Tester 1800A功率循环测试设备的长、宽、高在不包括信号灯塔的情况下分别为:1630mm、980mm 和 1400mm,设备可以放置在可靠性实验室条件下或者电力电子器件的生产环境中使用,方便、可靠。

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备在包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件进行测试时,工作区域是封闭的,并被绝热的聚碳酸酯的防护罩所覆盖,以确保长时间的测试能够不间断的运行,并且安全、可靠。如下为安全设计:

 

1)一体化实验箱设计

2)透明的Lexan保护罩方便目测,防止测试期间受外界干扰

3)自动探测保护罩是否打开大电流仅在保护罩关闭的情况下才允许开起防止被高温金属烫

4)烟雾探测器 系统将会紧急停止一旦探测到烟雾

5)液体泄漏探测器 系统将会紧急停止一旦探测到液体泄漏

6)系统状态灯塔

7)紧急停止按钮


Power Tester 1800A功率循环测试设备具有一个安装在灵活的、符合人体工程学机械臂上 15 吋触摸屏的工业一体机,操作方便可靠,可长时间的运行无故障。

计算机配置

1)内嵌控制PC高可靠性工控机& 自带操作系统保证长时间工作的稳定性

2)触摸屏操作不需要鼠标或键盘

3)为PC专门提供UPS,保证紧急断电或其他情况下的数据安全

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图:Power Tester 1800A功率循环测试设备前视图


Power Tester 1800A功率循环测试设备在封闭的测试区域中包括两块冷板,尺寸是 400mmX300mm。

1、 冷板上通过专用的夹具可以放置所有类型的电力电子器件,包括 IGBT 器件;

2、 其中一块冷板配合外接的液冷循环器可以用来对 IGBT 器件进行温度敏感参数的测量和校准,液冷循环器可以作为恒温控制设备使用;

3、 另一块冷板可以连接厂务水对 IGBT 器件进行瞬态热测试和进行功率循环测试;

4、 IGBT 器件可以快速方便的使用专用夹具安装在冷板上,IGBT 器件尺寸和放置在冷板上的位置可以通过专用夹具,很灵活的进行配置

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图:放置在板上的 IGBT 器件


Power Tester 1800A功率循环测试设备配合外接的液冷循环器和外接的厂务水使用的时候,液冷循环器和厂务水可以在外部进行连接,连接器接头位于设备的背面。

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图:Power Tester 1800A功率循环测试设备后视图


Power Tester 1800A功率循环测试设备具有极高的安全性能。设备具有一个标准4 色信号灯塔,用来指示设备操作的状态。在封闭的测量区域装有安全传感器功能,一旦触发,Power Tester 1800A功率循环测试设备可以立即关掉加热电流的输出,保证操作人员和设备的安全,这些安全传感器功能包括:

1、 烟雾报警功能;

2、 过温报警功能;

3、 安装有冷板漏液传感器,具有冷板漏液报警功能;

4、 当使用厂务水的时候,测量用的冷板上安装有水流量传感器,实时显示当前的厂务水流量;

5、 当出现意外情况时,可以使用手动急停按钮,切断设备电源,保证安全;

6、 加热电流只有在聚碳酸酯的防护罩被闭合和操作人员不会触碰测量区域的时候才能输出,可以保证操作人员和设备的安全;

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图:位于设备内部的安全功能控制盒

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Power Tester 1800A功率循环测试设备对设备的控制是通过一个运行在设备内部工业电脑上的专用设备控制软件和评估分析软件完成的。软件具有以下的优点:

1、 用户界面是用户友好的界面,并通过触摸屏进行操作;

2、 用户可在操作员模式和工程师模式下进行选择和操作,软件的设计目标是使用者不需要具有或者只具有有限的工科知识背景;

3、 较早的测试结果可以被审阅并通过 USB 存储器和局域网进行下载;

 

Power Tester 1800A功率循环测试设备的软件除了具有以上通用软件所应具有的优点外,软件在功率循环测试中和瞬态热测试中还实现了以下的优势:

1、 自动检测包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件的结温是否稳定;

2、 自动进行电压测量范围的选择和补偿;

3、 自动识别 Die Attach 层热阻的增加

以上功能的实现,可以帮助设备操作人员方便、快速、准确的对 IGBT 器件进行功率循环测试和瞬态热测试的设置,更使得功率循环测试和瞬态热测试的设置准确、可靠,为IGBT 器件得到真实、有效的测试结果,打下了良好的基础。

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图:软件主界面和器件进行设置的界面



Power Tester 1800A功率循环测试设备是一种独特的设备,具有两种测试模式, 既可以作为Power Cycling 功率循环测试设备使用,还可以作为瞬态热测试设备使用。这就决定了 Power Tester 1800A功率循环测试设备具有极高的性价比,和广泛的工业化应用。


Power Tester 1800A功率循环测试设备的测试模式如下:

  • 瞬态热测试测量模式:

1、 对于包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件的结温和热阻等热学特性,可以按照

JEDEC JESD 51-1 规定的静态测试法进行瞬态热测试;

2、 基于瞬态热测试的结果,可以生成结构函数;

3、 实现基于 JEDEC JESD 51-14 规定的双界面瞬态热测试方法,对包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件实现结壳热阻的测量;

  • 功率循环测试和瞬态热测试联合测量模式:

1、 对于包括 IGBT 器件在内的被测电力电子器件通过功率循环测试施加应力测试,并且执行周期性的瞬态热测试,用来监控可能发生的 Die-attach 的降级和其它可能发生的结构性的失效;

2、 监控作为循环次数和/或者测试时间的函数的器件导通电压、门电流和被选择的温度传感器输出的变化;

3、 瞬态热测试的频率可以由用户进行设定,并且如果设备检测到门电流或者器件导通电压增加,将会自动提高在功率循环实验中的瞬态热测试的频率;

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图:功率循环测试中单循环后器件导通电压的变化和多循环后器件导通电压的变化



PWT设备测试详述

 

一、热瞬态测试:


用于测试待测器件的结温,热阻,并进行结构函数分析 

– 遵循JEDEC JESD 51-1 静态测试法 

– 遵循IEC 60747的测试方法 

– 利用结构函数分析散热路径的热传导结构 

– 支持利用JEDEC JESD 51-14标准定义的瞬态热界面法测试结壳热阻RthJC

 

1)K系数(K-Factor)测试

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2)热阻测试

 

1、使用测试小电流取得被测半导体器件温度系数(mV/℃,得到正向电压随温度变化的关系)

2、使用大电流进行加热

3、当达到热平衡状态时,切换成小电流测量(切换时间小于1µs)

4、当切换到测试电流后,被测半导体器件的正向电压被测量并记录下来,直到和环境温度达到新的热平衡状态。被记录下来的正向电压数值通过被测半导体器件的温度系数(mV/℃)被转换成为相应的温度随时间变化的关系。

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3)结构函数分析——描述器件热传导路径的模型

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1. 结构函数上越靠近y轴的地方代表着实际热流传导路径上接近芯片有源区的结构,而越远离y轴的地方代表着热流传导路径上离有源区较远的结构。

2. 积分结构函数是热容—热阻函数,曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构,陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构。

3. 在结构函数的末端,其值趋向于一条垂直的渐近线,此时代表热流传导到了空气层,由于空气的体积无穷大,因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的x值就是结区到空气环境的热阻,也就是稳态情况下的热阻Rja 。

 

二、 全新测试模式:同时进行功率循环和热测试模式

 

– 利用功率循环对待测器件施加老化应力

– 根据器件达到失效的循环数预估其寿命

– 功率循环期间定期进行热瞬态测试,并监控系统参数 (VCE 和IGate )

– 功率循环期间,任何与老化降级相关的热效应都可以在不移动待测器件的情况下通过结构函数在线监测

– 系统会根据用户提前设定的条件增加热瞬态测试的频率

 

1)功率循环模式


Power Tester 1800A功率循环测试设备在功率循环测试和瞬态热测试联合测量模式下,可以支持多达 4 种不同的功率控制模式:


1、 恒定加热电流模式(PCsec):

Ø 稳定的Ton和Toff时间;

Ø 被测压接式 IGBT 器件的降级对得到的结温变化幅度有直接的影响;

Ø 最严格的进行功率循环的方式;

 

2、 恒定结温差模式:

Ø 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保结温差恒定;

 

3、 恒定功率模式:P v

Ø 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保功率恒定;

 

4、 恒定壳温差模式ΔT C :循环中改变冷板的热传导系数 (PCmin)

Ø 在功率循环测试中随着Ton和Toff的时间,同步改变冷板内冷却液的流量;

Ø 对被测压接式 IGBT 器件的壳温创造出恒定的温度变化;使得基板的焊接层发生失效

Ø 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保壳温差恒定;

Ø 适用于长时间周期的功率循环测试;

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图:为确保ΔTj 保持稳定,驱动电流变化的过程


2)、功率循环功能


– 功率循环期间,记录的数据包括:

电学参数:UCE ,栅极电流I(g,off) ΔP

热学参数 ΔTJ  Tjmax Tjmin,, ΔTJ / ΔPRth以及结构函数等



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电学参数记录

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热学参数记录

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功率循环信息记录


三、测试流程详述:

 

1、创建器件并定义器件参数


(1)定义器件种类并选择测试方法。系统会根据用户的选择自动切换不同的接线方式

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创建器件

(2)设置k系数测试参数

用户可设置测试电流,栅压,温度范围以及温度稳定判据

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器件定标参数设置


2、 热阻测试


设置热测试的参数,用户可自定义测试时间,也可以使用自动热稳态判定

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3、 功率循环测试


(1) 设置功率参数,包括热测试加热电流,功率循环电流等

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功率参数设置

(2) 设置测试参数

设置热测试间隔时间,栅极电流测试间隔时间等。

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测试参数设置


用户可提前预设电压,结温,电流等参数,当该指标达到一定条件后,可以自动更改热测试间隔。

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自动测试间隔设置


(3) 设置功率循环参数

选择功率循环模式,设置on和off的时间以及最大功率循环数等参数

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设置功率循环参数


(4) 设置失效判据

用户可通过绝对值或者百分比的方式设置器件失效的判据,当器件参数达到失效判据,功率循环将停止。

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设置失效判据

(5)设置液冷板的水流量

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设置水流量


功率循环施加策略:

 

1、 恒定加热电流模式(PCsec):

  • 稳定的Ton和Toff时间;

  • 被测压接式 IGBT 器件的降级对得到的结温变化幅度有直接的影响;

  • 最严格的进行功率循环的方式;

 

2、 恒定结温差模式:

  • 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保结温差恒定;

 

3、 恒定功率模式:P v

  • 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保功率恒定;

 

4、 恒定壳温差模式ΔT C :循环中改变冷板的热传导系数 (PCmin)

  • 在功率循环测试中随着Ton和Toff的时间,同步改变冷板内冷却液的流量;

  • 对被测压接式 IGBT 器件的壳温创造出恒定的温度变化;使得基板的焊接层发生失效

  • 稳定的Ton和Toff时间,自动计算并调节加热电流,确保壳温差恒定;

  • 适用于长时间周期的功率循环测试;


技术亮点


1、先进的测试理念:同一个测试平台可以同时进行功率循环和热测试,任何与老化降级相关的热效应都可以在不移动待测器件的情况下通过结构函数在线监测,与传统的老练设备相比更加节省时间,能获得完整的实效数据。

2、先进的测试技术:使用世界领先的热测试设备T3Ster的热瞬态测试技术及结构函数分析方法。

3、测试范围广:测试包括功率MOSFET,功率IGBT以及功率二极管等电力电子设备。

4、简单易用的触摸屏界面:功率循环测试期间能够记录包括电流、电压、结温、结构函数以及结构改变等信息在内的参数。

5、多种功率循环模式:测试平台包含了恒定时间Ton和Toff,恒定电流,恒定壳温变化ΔTC,恒定结温变化ΔTJ以及恒定功率变化ΔP等模式。

6、实时结构函数诊断:方便用户快速地获得循环过程中的缺陷,对应的循环数以及失效原因等。

7、无需功率循环后的实验室检测及破坏性失效分析:无需再使用传统的x射线、超声波或者其他的破坏性方法来进行失效分析。

8、测试操作简便:用户只需根据提示将器件对应管脚连接到设备,无需了解器件的具体接线方式。


PWT产品型号参数比较:

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部分PWT正式用户列举:

 

1、Worldwide customers

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2、国内及台湾用户

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