Beh... Se vai a vedere sul datasheet i grafici delle caratteristiche di uscita:
Figure 31-306.ATmega328: I/O Pin Output Voltage vs. Sink Current (VCC = 5 V)
Figure 31-308.ATmega328: I/O Pin Output Voltage vs. Source Current (VCC = 5 V)
le curve sono limitate proprio a 20mA.