Also einen AVR zu übertakten ist normalerweise ziemlich sinnlos...


Das Problem ist, wie bereits angesprochen nicht die Wärmeentwicklung, sondern das Timing bestimmter Komponenten.
EEPROM und ADC werden als erstes nicht mehr vernünftig funktionieren, das EEPROM weil es nunmal nicht so schnell ist
und der ADC weil man mit dem Prescaler irgendwann nicht mehr in den empfohlenen Bereich (50-200kHz) kommt.

Es gibt sicherlich noch viele weitere potentielle Fehlerquellen, aber das sind zumindest mal die beiden offensichtlichsten.